DE102016122742A1

DE102016122742A1 - Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zwei verschiedenen Wandlereinrichtungen, Sensoranordnung, Fahrerassistenzsystem, Kraftfahrzeug sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102016122742A1
Application number: DE102016122742.0A
Authority: DE
Inventors: Paul-David Rostocki; Heinrich Gotzig
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (4) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer Membran (11) und mit einer ersten Wandlereinrichtung (12), welche dazu ausgelegt ist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung der Membran (11) zu erfassen, wobei die erste Wandlereinrichtung (12) ein piezoelektrisches Element (25) aufweist, wobei der Ultraschallsensor (4) eine von dem piezoelektrischen Element (25) verschiedene, zweite Wandlereinrichtung (21) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran (11) zu bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug mit einer Membran und mit einer ersten Wandlereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung der Membran zu erfassen, wobei die erste Wandlereinrichtung ein piezoelektrisches Element aufweist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung mit einem solchen Ultraschallsensor und einer Spannungsversorgungsvorrichtung. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrerassistenzsystem sowie ein Kraftfahrzeug. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs.
Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Ultraschallsensoren, welche beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen, insbesondere in sogenannten Parkhilfesystemen, eingesetzt werden können, 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 des Ultraschallsensors wird ein Ultraschall ausgesendet, welcher 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 mit einer Wandlereinrichtung angeregt. Wenn umgekehrt die Membran durch das empfangene Ultraschallsignal angeregt wird, kann diese Anregung beziehungsweise mechanische Schwingung mit der Wandlereinrichtung erfasst werden. Beispielsweise kann mit der Wandlereinrichtung ein elektrisches Signal, welches im Hinblick auf die zu detektierenden Abstände ausgewertet werden kann, bereitgestellt werden. Dabei erfolgt die Abstandsmessung in Abhängigkeit von der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Hindernis reflektierten Ultraschallsignals.
Als Wandlereinrichtungen werden üblicherweise piezoelektrische Elemente verwendet. Aus dem Stand der Technik sind ferner Ultraschallsensoren bekannt, welche andere Wandlereinrichtungen aufweisen. Hierzu beschreibt die DE 10 2014 110 179 A1 eine Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Stelleinrichtung, mittels welcher die Ultraschallmembran des Ultraschallsensors zum Aussenden eines Ultraschallsignals bewegbar ist. In einer Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung einen piezoelektrischen Wandler. In einer alternativen Ausführungsform ist die Stelleinrichtung als mikromechanisches Bauteil, beispielsweise als elektrostatischer Wandler, als elektro-thermo-mechanischer Wandler oder als elektro-magnetomechanischer Wandler ausgebildet.
Die Ultraschallsensoren, die aktuell im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, werden üblicherweise mit einem 12 V-Bordnetz betrieben. Wenn die Wandlereinrichtung ein piezoelektrisches Element umfasst, ist es erforderlich, dass das piezoelektrische Element mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung betrieben wird, um eine ausreichende Bewegungsamplitude zum Anregen der Membran zu erreichen. Diese vorbestimmte Versorgungsspannung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 50 V und 100 V liegen. Zum Bereitstellen dieser Versorgungsspannung weisen die Ultraschallsensoren üblicherweise einen Transformator auf, der 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 schwingen das piezoelektrische Element und damit auch die Membran verhältnismäßig lange nach.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art effizienter betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallsensor, durch eine Sensoranordnung, durch ein Fahrerassistenzsystem, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug eine Membran. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor bevorzugt eine erste Wandlereinrichtung, welche insbesondere dazu ausgelegt ist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung der Membran zu erfassen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die erste Wandlereinrichtung ein piezoelektrisches Element aufweist. Des Weiteren weist der Ultraschallsensor bevorzugt eine von dem piezoelektrischen Element verschiedene, zweite Wandlereinrichtung auf, welche insbesondere dazu ausgelegt ist, zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran zu bewegen.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Membran und eine erste Wandlereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung der Membran zu erfassen, wobei die erste Wandlereinrichtung ein piezoelektrisches Element aufweist. Darüber hinaus weist der Ultraschallsensor eine von dem piezoelektrischen Element verschiedene, zweite Wandlereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran zu bewegen.
Der Ultraschallsensor kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und beispielsweise Teil eines Fahrerassistenzsystems sein, welches den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs unterstützt. Mithilfe des Ultraschallsensors kann beispielsweise ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Hindernis beziehungsweise Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Hierzu kann mit dem Ultraschallsensor das Ultraschallsignal ausgesendet werden und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal wieder empfangen werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt reflektierten Ultraschallsignals kann dann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden. Der Ultraschallsensor umfasst die Membran, welche beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann und welche topfförmig ausgebildet sein kann. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird die Membran, insbesondere ein Membranboden, zu mechanischen Schwingungen angeregt. Infolge der mechanischen Schwingungen des Membranbodens wird das Ultraschallsignal dann ausgesendet. Wenn dieses Ultraschallsignal von dem Objekt reflektiert wird und wieder zu dem Ultraschallsensor beziehungsweise zu dem Membranboden zurück gelangt, wird der Membranboden durch das Ultraschallsignal zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese Schwingung kann ebenfalls detektiert werden.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es nun vorgesehen, dass der Ultraschallsensor eine erste Wandlereinrichtung und eine von der ersten Wandlereinrichtung verschiedene, zweite Wandlereinrichtung aufweist. Die zweite Wandlereinrichtung weist dabei kein piezoelektrisches Element auf. Die erste Wandlereinrichtung dient zum Empfangen des von dem Objekt reflektierten Ultraschallsignals. Mit der ersten Wandlereinrichtung kann also die mechanische Schwingung der Membran erfasst werden. Die erste Wandlereinrichtung weist ein piezoelektrisches Element auf. Dieses piezoelektrische Element weist den Vorteil auf, dass mit diesem die Schwingung der Membran präzise erfasst werden kann. Mithilfe des piezoelektrischen Elements kann die Schwingung der Membran direkt in eine zeitlich veränderliche Spannung gewandelt werden. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird die zweite Wandlereinrichtung verwendet, welche kein piezoelektrisches Element aufweist. Es ist insbesondere vorgesehen, dass durch die Anregung der Membran mit der zweiten Wandlereinrichtung das Ultraschallsignal ausgesendet wird und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignals als Echo wieder mit dem Ultraschallsensor empfangen wird. Zum Empfangen des Ultraschallsignals kann dann die Schwingung der Membran mit der ersten Wandlereinrichtung erfasst werden. Vorliegend wird die Erkenntnis berücksichtigt, dass das piezoelektrische Element sehr gut dazu geeignet ist, die Schwingung der Membran zu erfassen, aber zum Aussenden des Ultraschallsignals beziehungsweise zum Anregen der Membran eine hohe elektrische Versorgungsspannung benötigt wird, um das piezoelektrische Element zu betreiben. Als die zweite Wandlereinrichtung kann daher insbesondere eine Wandlereinrichtung verwendet werden, welche im Vergleich zu einem piezoelektrischen Element einen geringeren Energiebedarf aufweist. Dies ermöglicht es, eine Spannungsversorgungseinrichtung, mittels welcher die zweite Wandlereinrichtung versorgt wird, für einem geringeren Leistungsbedarf zu dimensionieren. Damit kann der Ultraschallsensor insgesamt effizienter betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Wandlereinrichtung einen elektromagnetischen Aktor. Dieser elektromagnetische Aktor kann insbesondere als mikromechanisches Bauteil beziehungsweise als Mikrosystem (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) ausgebildet sein. Der elektromagnetische Aktor kann beispielsweise zumindest ein Magnetelement umfassen, mit dem nach dem elektromagnetischen Prinzip elektrische Energie in mechanische umgewandelt werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass der elektromagnetische Wandler als Elektromotor ausgebildet ist. Bei dem Elektromotor handelt es sich dann insbesondere um einen Mikromotor beziehungsweise um einen Mikroantrieb. Ein solcher elektromagnetischer Aktor weist den Vorteil auf, dass dieser im Vergleich zu einem piezoelektrischen Aktor beziehungsweise einem piezoelektrischen Element einen geringeren Energieverbrauch aufweist.
Bevorzugt weist der elektromagnetische Aktor ein erstes Magnetelement, welches mit der Membran verbunden ist, und ein zweites Magnetelement, welches in einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Magnetelement angeordnet ist, auf. Das erste Magnetelement kann direkt mit der Membran und insbesondere mit dem Membranboden verbunden sein. Das erste Magnetelement kann auch auf der ersten Wandlereinrichtung beziehungsweise auf dem piezoelektrischen Element angeordnet sein. Das zweite Magnetelement kann beabstandet zu dem ersten Magnetelement angeordnet sein. Beispielsweise kann das zweite Magnetelement an einem Gehäuse des Ultraschallsensors oder an einer Mantelfläche der Membran angeordnet sein. Das erste und/oder das zweite Magnetelement kann ein elektromagnetisches Feld erzeugen, sodass sich eine elektromagnetische Kraft zwischen dem ersten Magnetelement und dem zweiten Magnetelement ergibt. Somit kann das erste Magnetelement, welches mit der Membran verbunden ist, bewegt werden beziehungsweise zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Damit kann auf einfache und zuverlässige Weise der elektromagnetische Aktor bereitgestellt werden.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das erste Magnetelement und/oder das zweite Magnetelement einen Elektromagnet oder einen Permanentmagnet umfasst. Dabei kann eines der Magnetelemente als Permanentmagnet und das andere als Elektromagnet ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Magnetelemente als Elektromagnete ausgebildet sind. Die Elektromagnete können beispielsweise in Form einer Spule, beispielsweise einer Luftspule oder einer Ringspule, bereitgestellt werden. Zudem kann es vorgesehen sein, das die Elektromagneten eine Flachspule beziehungsweise eine Planarspule aufweisen. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass diese Flachspule direkt auf dem piezoelektrischen Element angeordnet ist beziehungsweise auf das piezoelektrische Element aufgebracht ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Magnetelement und das zweite Magnetelement eine Flachspule aufweisen. Durch die Verwendung von solchen Flachspule kann eine besonders Bauraum sparende Ausgestaltung der zweiten Wandlereinrichtung ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Wandlereinrichtung einen elektrostatischen Aktor, einen elektrothermischen Aktor, einen Aktor mit einer Formgedächtnislegierung und/oder ein elektroaktives Polymer auf. Anstelle eines elektromagnetischen Aktors können auch andere Arten von Aktoren verwendet werden, welche insbesondere als mikromechanische Aktoren ausgebildet sind. Beispielsweise kann die zweite Wandlereinrichtung einen elektrostatischen Aktor beziehungsweise einen elektrostatischen Wandler aufweisen. Bei dem elektrostatischen Aktor kann ein elektrisches Feld bereitgestellt werden, durch welches ein Element des elektrostatischen Aktors und damit auch die Membran bewegt wird. Die zweite Wandlereinrichtung kann auch einen elektrothermischen Aktor aufweisen, bei welchem ein Stellelement infolge der Erwärmung, welche beispielsweise durch einen Stromfluss bewirkt werden kann, geformt wird und somit die Membran bewegt. Beispielsweise kann die zweite Wandlereinrichtung ein Bimetall-Element aufweisen. Ferner kann die zweite Wandlereinrichtung ein Formgedächtniselement beziehungsweise eine Formgedächtnislegierung aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Wandlereinrichtung elektroaktives Polymer aufweist, mit dem die Membran bewegt werden kann. Somit kann eine zweite Wandlereinrichtung bereitgestellt werden, welche einen geringen Bauraum aufweist und welche energieeffizient betrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Wandlereinrichtung mit der Membran verbunden und die zweite Wandlereinrichtung ist auf einer der Membran abgewandten Seite der ersten Wandlereinrichtung angeordnet. Die erste und die zweite Wandlereinrichtung können in einem Innenraum der topfförmigen Membran angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Innenraum der Membran mit einem Dämpfungsmaterial gefüllt ist. Dabei kann die erste Wandlereinrichtung direkt auf der Rückseite des Membranbodens angeordnet sein. Somit können mit der ersten Wandlereinrichtung die Schwingungen der Membran beim Empfangen des Ultraschallsignals zuverlässig erfasst werden. Die zweite Wandlereinrichtung kann auf einer der Membran abgewandten Seite der ersten Wandlereinrichtung angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Wandlereinrichtung oder ein Teil der zweiten Wandlereinrichtung direkt auf der ersten Wandlereinrichtung angeordnet sein. In diesem Fall kann zum Anregen der Membran die Membran zusammen mit der ersten Wandlereinrichtung beziehungsweise mit dem piezoelektrischen Element bewegt werden. Somit kann der Ultraschallsensor effizient betrieben werden und zugleich Ultraschallsignale mit einer hohen Genauigkeit empfangen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die erste Wandlereinrichtung und/oder die zweite Wandlereinrichtung über ein Kopplungselement mit der Membran verbunden sein. Zwischen der ersten Wandlereinrichtung und der Membran kann also ein Kopplungselement angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der zweiten Wandlereinrichtung und der Membran ein Kopplungselement angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen der zweiten Wandlereinrichtung und der ersten Wandlereinrichtung ein Kopplungselement angeordnet ist. Dieses Kopplungselement kann als Abstandshalter dienen. Das Kopplungselement ist insbesondere dazu ausgelegt, mechanische Schwingungen zwischen der Membran und der ersten und/oder der zweiten Wandlereinrichtung zu übertragen.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor sowie eine ultraschallsensorexterne Spannungsversorgungseinrichtung zum Bereitstellen einer vorbestimmten Versorgungsspannung, wobei die Spannungsversorgungsvorrichtung direkt mit der zweiten Wandlereinrichtung elektrisch verbunden ist. Die Spannungsversorgungsvorrichtung ist also außerhalb des Ultraschallsensors angeordnet. Insbesondere ist die Spannungsversorgungsvorrichtung außerhalb eines Gehäuses des Ultraschallsensors angeordnet. Die Spannungsversorgungsvorrichtung kann im Betrieb der zweiten Wandlereinrichtung die erforderliche Versorgungsspannung direkt bereitstellen und an die zweite Wandlereinrichtung 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 können Kosten eingespart werden und der Bauraum reduziert werden.
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 Gleichspannung kann zwischen 1 V und 100 V betragen, insbesondere zwischen 3 V und 42 V. Besonders vorteilhaft kann die Gleichspannung zwischen 5 V und 16 V betragen. Eine übliche Gleichspannung ist beispielsweise 12 V, 24 V oder 42 V. Diese Gleichspannungsquelle kann elektrisch mit der Schalteinrichtung verbunden sein. Die Schalteinrichtung kann wiederum mit der zweiten Wandlereinrichtung elektrisch verbunden sein. Insbesondere kann durch die Ansteuerung der Schalteinrichtung eine zeitlich veränderliche Versorgungsspannung bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann eine Sensoranordnung beziehungsweise eine Spannungsversorgungsvorrichtung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Spannungsversorgungsvorrichtung transformatorlos ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Spannungsversorgungsvorrichtung keinen Transformator auf. Damit können Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden. Ferner kann somit eine geringere Ausschwingzeit der Membran nach dem Aussenden des Ultraschallsignals ermöglicht werden. Des Weiteren kann eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Sensoranordnung eine Erfassungseinrichtung auf, welche elektrisch mit der ersten Wandlereinrichtung verbunden ist. Mit der Erfassungseinrichtung kann die elektrische Spannung, die mit dem piezoelektrischen Element bei der Schwingung der Membran bereitgestellt wird, erfasst werden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Spannung mit der Erfassungseinrichtung ausgewertet und/oder verstärkt wird. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Erfassungseinrichtung die elektrische Spannung beziehungsweise das Signal, das mit dem piezoelektrischen Element bereitgestellt wird, mit einem Schwellwert vergleicht. Somit kann das reflektierte Ultraschallsignal auf zuverlässige Weise empfangen werden.
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 und/oder Ausparken des Kraftfahrzeugs unterstützt wird.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Ultraschallsensors für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird mittels einer ersten Wandlereinrichtung, welche ein piezoelektrisches Element aufweist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung einer Membran des Ultraschallsensors erfasst. Ferner wird zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran mittels einer von dem piezoelektrischen Element verschiedenen, zweiten Wandlereinrichtung bewegt.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren.
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.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Sensoranordnung umfasst;
2 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik;
3 einen Ultraschallsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht; und
4 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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.
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.
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 eine erste Wandlereinrichtung 12, das mit der Membran 11 stoffschlüssig verbunden sein kann. Die erste Wandlereinrichtung 12 ist 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.
Um die Membran 11 zu mechanischen Schwingungen zum Aussenden des Ultraschallsignals anzuregen, ist es erforderlich, die erste Wandlereinrichtung 12 mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung U‘ anzusteuern. Diese Versorgungsspannung U‘ kann beispielsweise im Bereich zwischen 50 V und 200 V liegen, insbesondere zwischen 60 V und 90 V. 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 der ersten Wandlereinrichtung 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.
3 zeigt einen Ultraschallsensor 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht. Hierbei ist zu erkennen, dass der Ultraschallsensor 4 die Membran 11 aufweist, welche topfförmig ausgebildet ist. Die Membran 11 kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Die Membran 11 umfasst einen Membranboden 23 sowie eine Mantelfläche 24. In einem Innenraum 28 der Membran 11 ist die erste Wandlereinrichtung 12 angeordnet, welche das piezoelektrische Element 25, welches mit Anschlussleitungen verbunden ist, aufweist. Das piezoelektrische Element 25 ist auf einer Innenseite 26 des Membranbodens 23 angeordnet. Die erste Wandlereinrichtung 12 wird vorliegend nur dazu verwendet, die Schwingung der Membran 11 beziehungsweise des Membranbodens 23 zu erfassen, wenn mit dem Ultraschallsensor 4 ein Ultraschallsignal empfangen wird.
Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 eine zweite Wandlereinrichtung 21, welche dazu verwendet wird, die Membran 11 beziehungsweise den Membranboden 23 zu mechanischen Schwingungen anzuregen. Die zweite Wandlereinrichtung 21 ist vorliegend als elektromagnetischer Aktor ausgebildet. Dieser elektromagnetische Aktor umfasst ein erstes Magnetelement 29, welches vorliegend als Elektromagnet beziehungsweise als Spule ausgebildet ist und welches mit Anschlussleitungen verbunden ist. Es können auch gemeinsame Anschlussleitungen für die erste Wandlereinrichtung 12 und die zweite Wandlereinrichtung 21 vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine erste Anschlussleitung mit einem ersten Kontakt der ersten Wandlereinrichtung 12 und mit einem ersten Kontakt der zweiten Wandlereinrichtung 21 elektrisch verbunden sein. Eine zweite Anschlussleitung mit einem zweiten Kontakt der ersten Wandlereinrichtung 12 und mit einem zweiten Kontakt der zweiten Wandlereinrichtung 21 elektrisch verbunden sein. Somit kann die Anzahl an Anschlussleitungen reduziert werden.
Das erste Magnetelement 29 beziehungsweise die Spule ist auf einer der Membran 11 abgewandten Seite 27 des piezoelektrischen Elements 25 angeordnet. Darüber hinaus umfasst die zweite Wandlereinrichtung 21 ein zweites Magnetelement 30, welches vorliegend als Permanentmagnet ausgebildet ist. Das zweite Magnetelement 30 ist in einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Magnetelement 29 angeordnet. Das zweite Magnetelement 30 ist ortsfest bezüglich des ersten Magnetelements 29 angeordnet. Im Betrieb der zweiten Wandlereinrichtung 21 kann die Spule beziehungsweise das erste Magnetelement 29 derart mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, dass sich das erste Magnetelement 29 und das zweite Magnetelement 30 voneinander abstoßen. Insbesondere kann der Elektromagnet beziehungsweise das erste Magnetelement 29 periodisch angesteuert werden. Somit kann die Membran 11 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden.
Die zweite Wandlereinrichtung 21 weist kein piezoelektrisches Element 25 auf. In dem vorliegenden Beispiel ist die zweite Wandlereinrichtung 21 als elektromagnetischer Aktor ausgebildet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Wandlereinrichtung 21 einen elektrostatischen Aktor, einen elektrothermischen Aktor, ein elektroaktives Polymer, einen Aktor mit einer Formgedächtnislegierung oder dergleichen umfasst.
4 zeigt eine Sensoranordnung 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei weist die Sensoranordnung 9 eine Spannungsversorgungsvorrichtung 18 auf, mittels welcher eine Versorgungsspannung U zur Versorgung der zweiten Wandlereinrichtung 21 direkt bereitgestellt werden kann. Die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 ist unmittelbar mit der zweiten Wandlereinrichtung 21 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 1 V und 100 V liegen, insbesondere zwischen 3 und 42 V, insbesondere zwischen 5 V und 16 V. Eine übliche Gleichspannung ist beispielsweise 12 V, 24 V oder 42 V. Ferner ist die Gleichspannungsquelle 19 mit einer Schalteinrichtung 14 verbunden, die in dem vorliegenden Fall vier Halbleiterschalter 15 aufweist. Die Halbleiterschalter 15 sind ebenfalls mit einer Logikeinheit 16 zum Ansteuern der jeweiligen Halbleiterschalter verbunden. Mittels der Schalteinrichtung 14 kann aus der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 19 die vorbestimmte elektrische Spannung U zum Betreiben der zweiten Wandlereinrichtung 21 bereitgestellt werden. Die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 umfasst ferner mehrere Versorgungsleitungen 20. Die Sensoranordnung 9 umfasst ferner eine Erfassungseinrichtung 22, welche mit der ersten Wandlereinrichtung 12 verbunden ist. Mit der Erfassungseinrichtung 12 kann die beim Empfangen des Ultraschallsignals mit dem piezoelektrischen Element 25 bereitgestellte elektrische Spannung ausgewertet werden.
Dadurch, dass der Ultraschallsensor 4 die zweite Wandlereinrichtung 21 aufweist, welche im Vergleich zu einem piezoelektrischen Element eine geringere Versorgungsspannung U benötigt, kann auf einen Transformator 17 verzichtet werden. Im Vergleich zu der Sensoranordnung 9 gemäß dem Stand der Technik, die beispielsweise in 2 dargestellt ist, ergibt sich der Vorteil, dass Ultraschallsensoren 4 bereitgestellt werden können, die bauraumsparender und kostengünstiger ausgebildet sein. Zudem kann eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014110179 A1 [0003]

Claims

Ultraschallsensor (4) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer Membran (11) und mit einer ersten Wandlereinrichtung (12), welche dazu ausgelegt ist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung der Membran (11) zu erfassen, wobei die erste Wandlereinrichtung (12) ein piezoelektrisches Element (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (4) eine von dem piezoelektrischen Element (25) verschiedene, zweite Wandlereinrichtung (21) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran (11) zu bewegen.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (21) einen elektromagnetischen Aktor umfasst.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktor ein erstes Magnetelement (29), welches mit der Membran (11) verbunden ist, und ein zweites Magnetelement (30), welches in einem vorbestimmten Abstand zu dem ersten Magnetelement (29) angeordnet ist, aufweist.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Magnetelement (29) und/oder das zweite Magnetelement (30) einen Elektromagnet oder einen Permanentmagnet umfasst.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (21) einen elektrostatischen Aktor, einen elektrothermischen Aktor, einen Aktor mit einer Formgedächtnislegierung und/oder einen elektroaktives Polymer aufweist.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandlereinrichtung (12) mit der Membran (11) verbunden ist und die zweite Wandlereinrichtung (21) auf einer der Membran (11) abgewandten Seite (27) der ersten Wandlereinrichtung (12) angeordnet ist.
Sensoranordnung (3) mit einem Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer ultraschallsensorexternen Spannungsversorgungsvorrichtung (18) zum Bereitstellen einer vorbestimmten Versorgungsspannung (U), wobei die Spannungsversorgungsvorrichtung (18) direkt mit der zweiten Wandlereinrichtung (21) elektrisch verbunden ist.
Sensoranordnung (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungsvorrichtung (18) eine Gleichspannungsquelle (19) zum Bereitstellen einer Gleichspannung und eine Schalteinrichtung (14) zum Erzeugen der vorbestimmten Versorgungsspannung (U) aus der bereitgestellten Gleichspannung aufweist.
Sensoranordnung (9) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungsvorrichtung (18) transformatorlos ausgebildet ist.
Sensoranordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (9) eine Erfassungseinrichtung (22) aufweist, welche elektrisch mit der ersten Wandlereinrichtung (12) verbunden ist.
Fahrerassistenzsystem (2) für ein Kraftfahrzeug (1) mit einer Sensoranordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
Kraftfahrzeug (1) mit einem Fahrerassistenzsystem (2) nach Anspruch 11.
Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (4) für ein Kraftfahrzeug (1), bei welchem mittels einer ersten Wandlereinrichtung (12), welche ein piezoelektrisches Element (25) aufweist, zum Empfangen eines Ultraschallsignals eine Schwingung einer Membran (11) des Ultraschallsensors (4) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aussenden eines Ultraschallsignals die Membran (11) mittels einer von dem piezoelektrischen Element (25) verschiedenen, zweiten Wandlereinrichtung (21) bewegt wird.