WO2017005636A1 - Ultraschallsensorvorrichtung für ein kraftfahrzeug mit zwei piezoelementen, fahrerassistenzsystem, kraftfahrzeug sowie verfahren - Google Patents

Ultraschallsensorvorrichtung für ein kraftfahrzeug mit zwei piezoelementen, fahrerassistenzsystem, kraftfahrzeug sowie verfahren Download PDF

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WO2017005636A1
WO2017005636A1 PCT/EP2016/065543 EP2016065543W WO2017005636A1 WO 2017005636 A1 WO2017005636 A1 WO 2017005636A1 EP 2016065543 W EP2016065543 W EP 2016065543W WO 2017005636 A1 WO2017005636 A1 WO 2017005636A1
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piezoelectric element
ultrasonic sensor
membrane
motor vehicle
sensor device
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PCT/EP2016/065543
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Eugen Layevski
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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    • G01S7/524—Transmitters

Definitions

  • Ultrasonic sensor device for a motor vehicle with two piezo elements, driver assistance system, motor vehicle and method
  • the present invention relates to an ultrasonic sensor device for a motor vehicle having an ultrasonic sensor which has a diaphragm and a transducer device for exciting the diaphragm and / or detecting a vibration of the diaphragm, wherein the transducer device has a first piezoelectric element and a second piezoelectric element, and with a control device for independently controlling the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
  • the present invention relates to a driver assistance system having at least one such ultrasonic sensor device.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such
  • the present invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor device for a motor vehicle.
  • the interest is directed in the present case in particular to ultrasonic sensors for
  • the ultrasonic sensors may be arranged on the bumpers of the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors may be associated, for example, with a driver assistance system of the motor vehicle and provide information about the surroundings of the motor vehicle. For example, a distance between the motor vehicle and an object or an obstacle in the surroundings of the motor vehicle can be determined with the ultrasonic sensors.
  • the driver assistance system can serve, for example, to assist the driver when parking the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors usually have a membrane, which may be designed, for example, cup-shaped.
  • the membrane or a membrane bottom can be excited with a corresponding transducer device to mechanical vibrations.
  • the converter device may comprise, for example, a piezoelectric element or a piezoelectric element.
  • the ultrasonic sensors are operated in particular in three successive operating phases.
  • a transmission phase the membrane of the ultrasonic sensor is excited to mechanical vibrations by means of the transducer device. This has the consequence that with the ultrasonic sensor a Ultrasonic signal is emitted.
  • a subsequent decay phase excites the membrane and the membrane swings out.
  • a reception phase following the decay phase that of the object in the
  • the distance between the motor vehicle and the object can be determined.
  • DE 195 27 018 C1 describes an ultrasonic transducer in which a
  • Piezoceramic body is connected to a material to form a composite whose sound velocity is greater than that of the piezoceramic body. In this way, an opening angle of a main sound lobe can be reduced according to the requirements.
  • DE 10 2008 027 970 A1 describes an ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensor comprises a first piezoelectric element which is arranged close to the membrane.
  • the ultrasonic sensor comprises a second piezoelectric element which is arranged close to the membrane.
  • the ultrasonic sensor comprises a second piezoelectric element which is arranged close to the membrane.
  • the piezoelectric element which is farther from the diaphragm than the first piezoelectric element.
  • the first and second piezoelectric elements are in operative connection with the membrane.
  • the membrane may in particular be pot-shaped, wherein an angled edge of the membrane preferably with the second
  • the piezoelectric element is connected.
  • a damping device in particular a potting compound, is provided between the piezoelectric elements.
  • the ultrasonic sensor can be controlled so that either only the first piezoelectric element or the second piezoelectric element or both piezoelectric elements are active together.
  • Ultrasonic sensor for a motor vehicle of the type mentioned can be operated more efficiently.
  • the ultrasonic sensor device comprises a control device for independently controlling the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
  • a control device for independently controlling the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
  • the ultrasonic sensor device can be arranged on the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensor device comprises an ultrasonic sensor or an ultrasonic transducer, with which, for example, an object in an environment of the
  • the ultrasonic sensor has a membrane, which may for example be cup-shaped and which may be made of aluminum. Furthermore, the ultrasonic sensor has a transducer device, with which the membrane, in particular a membrane bottom, can be excited to mechanical vibrations. In this case, the transducer device can be mechanically connected to the membrane or the membrane bottom.
  • the ultrasonic sensor can be arranged in a corresponding opening of a trim part, in particular of a bumper, of the motor vehicle.
  • Ultrasonic sensor can also be designed for concealed arrangement behind the cowling.
  • the converter device has two piezo elements. The first
  • Piezo element and the second piezoelectric element are in particular electrically insulated from each other.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be controlled independently of one another by means of the control device.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element each have an electrical connection which is connected to the control device.
  • the control device can each provide an electrical signal, for example a time-variable electrical voltage, for driving the first and the second piezoelement.
  • the control device can be formed for example by a control unit of the motor vehicle (ECU - Electronic Control Unit) or by the electronics of the ultrasonic sensor itself be. It is provided that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected to each other for vibration transmission.
  • first piezoelement no damping layer is arranged between the first piezoelement and the second piezoelement. It is also provided in particular that the first and the second piezoelectric element are not surrounded by a damping layer.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be connected to one another by an intermediate layer, in particular an adhesive or an adhesive layer.
  • Intermediate layer or this adhesive may be formed electrically insulating. This means in particular that mechanical vibrations can be transmitted from the diaphragm to the first piezoelectric element and then to the second piezoelectric element. Furthermore, mechanical vibrations of the second
  • Piezo element are transmitted to the first piezoelectric element and then to the membrane. Because the piezoelectric elements can be controlled independently of one another, the converter device can be operated as required. For example, only one of the piezo elements or both piezo elements can be operated simultaneously. This enables efficient operation of the ultrasonic sensor depending on the operating phase of the ultrasonic sensor.
  • the first piezoelectric element is materially connected to the membrane and the second piezoelectric element integrally connected to the first piezoelectric element.
  • the first and the second piezoelectric element are arranged one above the other along a main transmission direction of the ultrasonic sensor.
  • the first piezo element and the second piezo element can each be plate-shaped and made of a
  • first piezoelectric element and the diaphragm as well as the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be made of piezoelectric material. It can be provided that the membrane bottom of the membrane, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged substantially parallel to each other. The first piezoelectric element and the diaphragm as well as the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be made of piezoelectric material. It can be provided that the membrane bottom of the membrane, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged substantially parallel to each other. The first piezoelectric element and the diaphragm as well as the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can be made of piezoelectric material. It can be provided that the membrane bottom of the membrane, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged substantially parallel to each other. The first piezoelectric element and the diaphragm as well as the first piez
  • Membrane bottom are transmitted.
  • mechanical vibrations of the membrane can be detected both with the first piezoelectric element and with the second piezoelectric element.
  • control device is designed to, during a transmission phase of the ultrasonic sensor, the first piezoelectric element and the second
  • the membrane becomes too stimulated mechanical vibrations to send out the ultrasonic signal.
  • both the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are driven or supplied with electrical energy.
  • the diaphragm or the diaphragm bottom is excited both by the first piezoelectric element and by the second piezoelectric element to mechanical vibrations.
  • the sound pressure with which the ultrasonic signal is emitted can be increased.
  • the range of the ultrasonic sensor can be increased.
  • control device is designed to control the first piezoelectric element and the second piezoelectric element synchronously during the transmission phase of the ultrasonic sensor.
  • both the first piezo element and the second piezo element can be driven with the same time-variable electrical voltage by means of the control device.
  • the first piezo element and the second piezoelectric element can be driven with the same time-variable electrical voltage by means of the control device.
  • Piezoelectric element can each be controlled with an electrical alternating voltage, wherein the amplitudes and the phases of the alternating voltages are adjusted so that a maximum deflection of the membrane and thus a maximum sound pressure is achieved by the movement of the piezo elements. It can also be provided that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are electrically connected in parallel and are electrically connected to the control device. Thus, an increased sound pressure can be achieved in a simple manner during the transmission phase.
  • control device is designed to operate during a decay phase of the decay phase following the transmission phase
  • Ultrasonic sensor the first piezoelectric element and / or the second piezoelectric element to control a vibration of the membrane to control.
  • mechanical vibrations are initially excited in the transmission mode of the diaphragm.
  • the membrane of the ultrasonic sensor oscillates in the decay phase that follows in time.
  • the first and / or the second piezoelectric element is operated during this decay phase in such a way that the mechanical oscillation of the membrane is damped.
  • Ultrasonic signals can be received, reduced.
  • control device is designed to, the
  • the first piezoelectric element and / or the second piezoelectric element such that this is an antiphase oscillation to the performs detected vibration.
  • the electrical voltage which is generated with one of the piezoelectric elements can be detected by means of the control device.
  • the oscillation frequency and amplitude of the membrane can be determined during decay.
  • the decay or the decay of the membrane can be detected.
  • At least one of the piezoelectric elements can then be acted upon by an oscillation in phase opposition to the detected oscillation of the membrane.
  • Control device which may have a corresponding controller, the amplitude and / or the phase of a respective AC voltage which is applied to the piezo elements, be adjusted so that a minimum settling time is achieved.
  • the vibration of the membrane can be actively attenuated during swinging by a removal of the vibration energy.
  • the decay time of the membrane can be reduced during the decay phase and thus the so-called blind area of the ultrasonic sensor can be reduced.
  • control device is designed to detect the oscillation of the diaphragm by means of the first piezoelectric element and / or the second piezoelectric element during a reception phase following the decay phase. During the reception phase, a reflected from an object
  • Ultrasonic signal or an echo of the ultrasonic signal are received.
  • a mechanical vibration of the membrane is detected with at least one of the piezo elements. Due to the mechanical vibration of the membrane as a result of
  • the first and / or the second piezoelectric element Upon impact of the reflected ultrasonic signal, the first and / or the second piezoelectric element is excited in each case to mechanical vibrations. As a result of
  • the second piezoelectric element has a smaller diameter compared to the first piezoelectric element.
  • the first and the second piezoelectric element may be formed, for example, as a piezo plate with a substantially round cross section.
  • the piezoelectric elements can be arranged concentrically with each other.
  • the piezoelectric element, which is arranged on the opposite side of the membrane of the first piezoelectric element, in comparison to the first piezoelectric element has a smaller diameter.
  • the transducer means Overall, a lower mass compared to a transducer device, in which the two piezoelectric elements have the same diameter, on. In this way, a higher dynamics can be achieved.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element have different thicknesses or layer thicknesses. It is provided in particular that the second piezoelectric element has a smaller thickness than the first piezoelectric element.
  • the first piezoelectric element is used in particular to excite the membrane during the transmission phase to oscillate.
  • the second piezoelectric element is used in particular to excite the membrane in addition to oscillations during the transmission phase and / or to generate an oscillation in phase opposition to the oscillation of the membrane during the decay phase. Therefore, it is not necessary for the second piezoelectric element to provide the same power during operation as the first one
  • the second piezoelectric element can therefore compared to the first
  • Piezoelectric element have a smaller layer thickness. Thus, a high dynamic of the converter device can be ensured.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element have different shapes.
  • the first and / or the second piezo element may be plate-shaped, disc-shaped, cuboid, cylindrical or the like.
  • the first piezo element and the second piezo element can both be cylindrical or round.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can both be cuboid or angular. It can also be provided that one of the piezoelectric element is cuboidal and the other piezoelectric element is cylindrical.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element may preferably be plate-shaped or formed as a disk. As already explained, it is preferably provided that the second piezoelectric element has a lower performance than the first piezoelectric element. Therefore, the second piezoelectric element may have a smaller volume than the first piezoelectric element.
  • the second piezoelectric element is annular.
  • the second piezoelectric element may be formed as a hollow cylinder.
  • the first piezoelectric element is in particular cylindrical.
  • the first piezoelectric element is designed as a round plate.
  • the first piezoelectric element is covered only at an edge region of the second piezoelectric element.
  • the first piezoelectric element is formed from a first material and the second piezoelectric element is formed from one of the first material
  • the first and / or the second piezoelectric element can be formed from a crystal or a quartz. It can also be provided, the first and / or the second piezoelectric element of a
  • the first and / or the second piezoelectric element can also be formed from thin layers which comprise, for example, aluminum nitride or zinc oxide.
  • the first and / or the second piezoelectric element can also be formed from a piezoelectric plastic, such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the first piezoelectric element can be formed from PZT.
  • the second piezoelectric element can be formed from a thin view of a piezoelectric material or PVDF. In this way, the required dynamics can be ensured.
  • An inventive driver assistance system for a motor vehicle comprises at least one ultrasonic sensor device according to the invention. It can also be provided that the ultrasonic sensor device comprises a plurality of ultrasonic sensors. These ultrasonic sensors can be distributed, for example, arranged on the motor vehicle.
  • the driver assistance system can in particular be referred to as so-called
  • a motor vehicle according to the invention comprises an inventive
  • the motor vehicle is designed in particular as a passenger car.
  • An inventive method is used to operate an ultrasonic sensor device for a motor vehicle.
  • a membrane of an ultrasonic sensor is excited by means of a transducer device and / or a vibration of the membrane is detected by means of the transducer device.
  • the converter device has a first and a second piezoelectric element.
  • the first and the second piezoelectric element independently controlled.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element for vibration transmission are connected to one another.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle according to an embodiment of the present invention
  • Invention having a driver assistance system with a plurality of ultrasonic sensors
  • Fig. 3 is a schematic flow diagram illustrating the operation of
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 1 according to an embodiment of the present invention in a plan view.
  • the motor vehicle 1 is in the present case as
  • the motor vehicle 1 comprises a
  • the driver assistance system 2 in turn comprises a
  • Ultrasonic sensor device 9 which has a control device 3 and at least one ultrasonic sensor 4.
  • the control device 3 can be formed for example by an electronic control unit (ECU - Electronic Control Unit) of the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic sensor device 9 comprises eight ultrasonic sensors 4. Four ultrasonic sensors 4 are arranged in a front region 5 of the motor vehicle 1 and four ultrasonic sensors 4 in a rear region 6 of the motor vehicle 1. The ultrasonic sensors 4 are designed to detect an object 8 in an environment 7 of the motor vehicle 1. In addition, the ultrasonic sensors 4 are used to determine a distance between the object 8 and the motor vehicle 1. The ultrasonic sensors 4 are connected to the control device 3 for data transmission. Corresponding data lines are not shown here for the sake of clarity.
  • Fig. 2 shows an ultrasonic sensor 4 according to an embodiment of the present invention in a sectional side view.
  • the ultrasonic sensor 4 comprises a membrane 10, which in the present case is cup-shaped.
  • the membrane 10 can be any membrane 10, which in the present case is cup-shaped.
  • the membrane 10 comprises a membrane bottom 11 and a membrane wall 12.
  • the ultrasonic sensor 4 comprises a transducer device 13.
  • the transducer device 13 comprises a first piezoelectric element 14 and a second piezoelectric element 15
  • Piezo elements 14, 15 are in particular made of a piezoelectric material.
  • the first piezoelectric element 14 by means of a first adhesive layer 16 is materially bonded to the membrane 10, in particular a rear side 17 of the
  • the second piezoelectric element 15 is integrally connected to the first piezoelectric element 14 by means of a second adhesive layer 18. Furthermore, the ultrasonic sensor 4 has a damping material 23, in which the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 are embedded. The first
  • Piezo element 14 and the second piezoelectric element 15 are present as a round Piezo plates or discs formed.
  • a diameter d1 of the first piezoelectric element 14 is greater than a diameter d2 of the second piezoelectric element 15.
  • the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 may be of identical construction. It can also be provided that the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 have different layer thicknesses. It can also be provided that the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 are cuboidal. The first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 can thus be designed as angular plates. In addition, it can be provided that one of the piezo elements 14, 15 is round and the other of the
  • Piezo elements 14, 15 is formed angular. Furthermore, it can be provided that the second piezoelectric element 15 is annular or hollow cylindrical. The first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 may be formed of the same material. It can also be provided that the piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 are formed from different materials.
  • the first piezoelectric element 14 has a first electrical connection 19
  • the second piezoelectric element 15 has a first electrical connection 21 or minus connection and a second electrical connection 22 or plus connection. In this way, the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element can be controlled independently of each other.
  • the control device 3 can be used.
  • the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 can be controlled by means of an electronic system or a user-specific circuit (ASIC).
  • the ultrasonic sensor device 9 or the ultrasonic sensor 4 is operated in three successive operating phases.
  • a transmission phase S1 the diaphragm 10 or the diaphragm bottom 1 1 of the ultrasonic sensor 4 is excited to mechanical vibrations by means of the converter device 13.
  • an ultrasonic signal is emitted.
  • Piezo element 15 driven.
  • the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 are driven synchronously.
  • the diaphragm bottom 1 1 of both the first piezoelectric element 14 and the second piezoelectric element 15 to stimulated mechanical vibrations. In this way, a high sound pressure when emitting the ultrasonic signal can be achieved.
  • a decay phase S2 following the transmission phase S1 the membrane 10 or the membrane bottom 11 is oscillated.
  • the first piezoelectric element 14 and / or the second piezoelectric element 15 is driven such that the mechanical vibration of the diaphragm bottom 1 1 is attenuated.
  • the mechanical vibration of the membrane 10 can be detected.
  • an oscillation opposite to the oscillation of the diaphragm 10 can be ascertained or the first piezoelectric element 14 and / or the second piezoelectric element 15 can be driven in such a way that it exerts an oscillation in antiphase to the oscillation of the diaphragm 10. This can be achieved that the decay of the membrane 10 and the
  • Piezo element 15 detected.
  • the ultrasound signal reflected by the object 8 and striking the diaphragm 10 can be detected.
  • the distance between the motor vehicle 1 and the object 8 can be determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung (9) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Ultraschallsensor (4), welcher eine Membran (10) und eine Wandlereinrichtung (13) zum Anregen der Membran (10) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (10) aufweist, wobei die Wandlereinrichtung (13) ein erstes Piezoelement (14) und ein zweites Piezoelement (15) aufweist, und mit einer Steuereinrichtung (3) zum unabhängigen Ansteuern des ersten Piezoelements (14) und des zweiten Piezoelements (15), wobei das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) zur Schwingungsübertragung miteinander verbunden sind.

Description

Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zwei Piezoelementen, Fahrerassistenzsystem, Kraftfahrzeug sowie Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Ultraschallsensor, welcher eine Membran und eine Wandlereinrichtung zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran aufweist, wobei die Wandlereinrichtung ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement aufweist, und mit einer Steuereinrichtung zum unabhängigen Ansteuern des ersten Piezoelements und des zweiten Piezoelements. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrerassistenzsystem mit zumindest einer solchen Ultraschallsensorvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen
Fahrerassistenzsystem. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Ultraschallsensoren für
Kraftfahrzeuge. Derartige Ultraschallsensoren sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und können beispielsweise im Frontbereich und im Heckbereich eines
Kraftfahrzeugs verbaut werden. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren an den Stoßfängern des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Die Ultraschallsensoren können beispielsweise einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein und Informationen über die Umgebung des Kraftfahrzeugs liefern. Beispielsweise kann mit den Ultraschallsensoren ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Objekt beziehungsweise einem Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise dazu dienen, den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.
Die Ultraschallsensoren weisen üblicherweise eine Membran auf, die beispielsweise topfförmig ausgebildet sein kann. Die Membran beziehungsweise ein Membranboden kann mit einer entsprechenden Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Die Wandlereinrichtung kann beispielsweise ein Piezoelement beziehungsweise ein piezoelektrisches Element umfassen. Zudem kann mit der
Wandlereinrichtung beziehungsweise mit dem Piezoelement eine mechanische
Schwingung der Membran erfasst werden. Die Ultraschallsensoren werden insbesondere in drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen betrieben. Während einer Sendephase wird die Membran des Ultraschallsensors mittels der Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt. Dies hat zur Folge, dass mit dem Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird. In einer anschließenden Ausschwingphase unterbleibt eine Anregung der Membran und die Membran schwingt aus. In einer auf die Ausschwingphase folgenden Empfangsphase kann das von dem Objekt in der
Umgebung reflektierte Ultraschallsignal wieder auf die Membran treffen und diese zu mechanischen Schwingungen anregen. Diese mechanischen Schwingungen können mit dem Piezoelement erfasst und in Form eines elektrischen Signals ausgegeben werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem
Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals beziehungsweise des Echos kann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden.
Hierzu beschreibt die DE 195 27 018 C1 einen Ultraschallwandler, bei dem ein
Piezokeramikkörper mit einem Werkstoff zu einem Verbundkörper verbunden wird, dessen Schallgeschwindigkeit größer als die des Piezokeramikkörpers ist. Auf diese Weise lässt sich ein Öffnungswinkel einer Hauptschallkeule den Erfordernissen entsprechend schmälern.
Darüber hinaus ist in der DE 10 2008 027 970 A1 ein Ultraschallsensor beschrieben. Der Ultraschallsensor umfasst ein erstes piezoelektrisches Element, welches nah an der Membran angeordnet ist. Ferner umfasst der Ultraschallsensor ein zweites
piezoelektrisches Element, welches weiter von der Membran beabstandet ist als das erste piezoelektrische Element. Das erste und das zweite piezoelektrische Element stehen mit der Membran in Wirkverbindung. Die Membran kann insbesondere topfartig ausgebildet sein, wobei ein abgewinkelter Rand der Membran bevorzugt mit dem zweiten
piezoelektrischen Element verbunden ist. Zwischen den piezoelektrischen Elementen ist insbesondere eine Dämpfungseinrichtung, insbesondere eine Vergussmasse, vorgesehen. Weiterhin kann der Ultraschallsensor so gesteuert werden, dass entweder nur das erste piezoelektrische Element oder das zweite piezoelektrische Element oder beide piezoelektrischen Elemente gemeinsam aktiv sind.
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 eine Ultraschallsensorvorrichtung, 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, der
Beschreibung und der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Ultraschallsensor, welcher eine Membran und eine Wandlereinrichtung zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran aufweist. Ferner weist die Wandlereinrichtung ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement auf.
Darüber hinaus umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung eine Steuereinrichtung zum unabhängigen Ansteuern des ersten Piezoelements und des zweiten Piezoelements. Dabei sind das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement zur
Schwingungsübertragung miteinander verbunden.
Die Ultraschallsensorvorrichtung kann an dem Kraftfahrzeug angeordnet werden. Die Ultraschallsensorvorrichtung umfasst einen Ultraschallsensor beziehungsweise einen Ultraschallwandler, mit dem beispielsweise ein Objekt in einer Umgebung des
Kraftfahrzeugs erfasst werden kann. Mithilfe des Ultraschallsensors kann insbesondere der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden. Der Ultraschallsensor weist eine Membran auf, die beispielsweise topfförmig ausgebildet sein kann und die aus Aluminium gefertigt sein kann. Ferner weist der Ultraschallsensor eine Wandlereinrichtung auf, mit der die Membran, insbesondere ein Membranboden, zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Dabei kann die Wandlereinrichtung mechanisch mit der Membran beziehungsweise dem Membranboden verbunden sein. Der Ultraschallsensor kann in einer korrespondierenden Öffnung eines Verkleidungsteils, insbesondere eines Stoßfängers, des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Der
Ultraschallsensor kann auch zur verdeckten Anordnung hinter dem Verkleidungsteil ausgelegt sein.
Vorliegend weist die Wandlereinrichtung zwei Piezoelemente auf. Das erste
Piezoelement und das zweite Piezoelement sind insbesondere elektrisch voneinander isoliert. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können unabhängig voneinander mittels der Steuereinrichtung angesteuert werden. Hierzu kann das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jeweils einen elektrischen Anschluss aufweisen, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung kann zum Ansteuern des ersten und des zweiten Piezoelements jeweils ein elektrisches Signal, beispielsweise eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, bereitstellen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise durch ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs (ECU - Electronic Control Unit) oder durch die Elektronik des Ultraschallsensors selbst gebildet sein. Dabei ist es vorgesehen, dass das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement zur Schwingungsübertragung miteinander verbunden sind. Insbesondere ist keine Dämpfungsschicht zwischen dem ersten Piezoelement und dem zweiten Piezoelement angeordnet. Auch ist es insbesondere vorgesehen, dass das erste und das zweite Piezoelement nicht von einer Dämpfungsschicht umgeben sind. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können durch eine Zwischenschicht, insbesondere einen Klebstoff beziehungsweise eine Klebeschicht, miteinander verbunden sein. Diese
Zwischenschicht beziehungsweise dieser Klebstoff kann ein elektrisch isolierend ausgebildet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass mechanische Schwingungen von der Membran auf das erste Piezoelement und dann auf das zweite Piezoelement übertragen werden können. Ferner können mechanische Schwingungen von dem zweiten
Piezoelement auf das erste Piezoelement und dann auf die Membran übertragen werden. Dadurch, dass die Piezoelemente unabhängig voneinander ansteuerbar sind, kann die Wandlereinrichtung bedarfsgerecht betrieben werden. Beispielsweise kann nur eines der Piezoelemente oder beide Piezoelemente gleichzeitig betrieben werden. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Ultraschallsensors abhängig von der Betriebsphase des Ultraschallsensors.
Bevorzugt ist das erste Piezoelement stoffschlüssig mit der Membran verbunden und das zweite Piezoelement stoffschlüssig mit dem ersten Piezoelement verbunden. Mit anderen Worten sind das erste und das zweite Piezoelement entlang einer Hauptsenderichtung des Ultraschallsensors übereinander angeordnet. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können jeweils plattenförmig ausgebildet sein und aus einem
piezoelektrischen Material gefertigt sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Membranboden der Membran, das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Das erste Piezoelement und die Membran sowie das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können
beispielsweise mittels eines entsprechenden Klebstoffs stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Somit können sowohl mit dem ersten Piezoelement als auch mit dem zweiten Piezoelement Schwingungen auf die Membran beziehungsweise den
Membranboden übertragen werden. Darüber hinaus können sowohl mit dem ersten Piezoelement als auch mit dem zweiten Piezoelement mechanische Schwingungen der Membran erfasst werden.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, während einer Sendephase des Ultraschallsensors das erste Piezoelement und das zweite
Piezoelement gleichzeitig anzusteuern. Während der Sendephase wird die Membran zu mechanischen Schwingungen angeregt, um das Ultraschallsignal auszusenden. Während der Sendephase wird sowohl das erste Piezoelement als auch das zweite Piezoelement angesteuert beziehungsweise mit elektrischer Energie versorgt. Somit wird die Membran beziehungsweise der Membranboden sowohl von dem ersten Piezoelement als auch von dem zweiten Piezoelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Auf diese Weise kann der Schalldruck, mit dem das Ultraschallsignal ausgesendet wird, erhöht werden. Somit kann beispielsweise die Reichweite des Ultraschallsensors erhöht werden.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, während der Sendephase des Ultraschallsensors das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement synchron anzusteuern. Beispielsweise können sowohl das erste Piezoelement als auch das zweite Piezoelement mit der gleichen zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung mittels der Steuereinrichtung angesteuert werden. Das erste Piezoelement und das zweite
Piezoelement können jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung angesteuert werden, wobei die Amplituden und die Phasen der Wechselspannungen so angepasst sind, dass durch die Bewegung der Piezoelemente eine maximale Auslenkung der Membran und somit ein maximaler Schalldruck erreicht wird. Hierbei kann es auch vorgesehen sein, dass das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement elektrisch parallel geschaltet sind und mit der Steuereinrichtung elektrisch verbunden sind. Somit kann auf einfache Weise während der Sendephase ein erhöhter Schalldruck erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, während einer zeitlich auf die Sendephase folgenden Ausschwingphase des
Ultraschallsensors das erste Piezoelement und/oder das zweite Piezoelement zum Dämpfen einer Schwingung der Membran anzusteuern. Im Betrieb des Ultraschallsensors wird zunächst in dem Sendebetrieb der Membran zu mechanischen Schwingungen angeregt. In der sich zeitlich daran anschließenden Ausschwingphase schwingt die Membran des Ultraschallsensors aus. Vorliegend wird das erste und/oder das zweite Piezoelement während dieser Ausschwingphase derart betrieben, dass die mechanische Schwingung der Membran gedämpft wird. Somit wird eine kürzere Ausschwingdauer der Membran, während der keine Echosignale beziehungsweise reflektierten
Ultraschallsignale empfangen werden können, verringert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die
Schwingung der Membran zu erfassen und das erste Piezoelement und/oder das zweite Piezoelement derart anzusteuern, dass dieses eine gegenphasige Schwingung zu der erfassten Schwingung ausführt. Während der Ausschwingphase kann beispielsweise die elektrische Spannung, die mit einem der Piezoelemente erzeugt wird, mittels der Steuereinrichtung erfasst werden. Somit kann die Schwingungsfrequenz und Amplitude der Membran während des Ausschwingens bestimmt werden. Beispielsweise kann das Ausschwingen beziehungsweise das Ausschwingverhalten der Membran erfasst werden. Zumindest eines der Piezoelemente kann dann mit einer zu der erfassten Schwingung der Membran gegenphasigen Schwingung beaufschlagt werden. Mittels der
Steuereinrichtung, die einen entsprechenden Regler aufweisen kann, kann die Amplitude und/oder die Phase einer jeweiligen Wechselspannung, die an den Piezoelementen angelegt wird, derart angepasst werden, dass eine minimale Ausschwingzeit erreicht wird. Auf diese Weise kann die Schwingung der Membran während des Ausschwingens durch eine Entnahme der Schwingungsenergie aktiv gedämpft werden. Somit kann die Ausschwingdauer der Membran während der Ausschwingphase verringert und damit der sogenannte Blindbereich des Ultraschallsensors verkleinert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, während einer zeitlich auf die Ausschwingphase folgenden Empfangsphase die Schwingung der Membran mittels des ersten Piezoelements und/oder des zweiten Piezoelements zu erfassen. Während der Empfangsphase kann ein von einem Objekt reflektiertes
Ultraschallsignal beziehungsweise ein Echo des Ultraschallsignals empfangen werden. Hierzu wird mit zumindest einem der Piezoelemente eine mechanische Schwingung der Membran erfasst. Durch die mechanische Schwingung der Membran infolge des
Auftreffens des reflektierten Ultraschallsignals wird das erste und/oder das zweite Piezoelement jeweils zu mechanischen Schwingungen angeregt. Infolge der
mechanischen Schwingung wird von dem ersten und/oder dem zweiten Piezoelement eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung ausgegeben. Während der
Empfangsphase kann nur eines der Piezoelemente betrieben werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Piezoelemente separat ausgewertet werden. Dadurch kann eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das zweite Piezoelement im Vergleich zu dem ersten Piezoelement einen geringeren Durchmesser aufweist. Das erste und das zweite Piezoelement können beispielsweise als Piezoplättchen mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt ausgebildet sein. Dabei können die Piezoelemente konzentrisch zueinander angeordnet sein. Dabei weist das Piezoelement, das auf der der Membran gegenüberliegenden Seite des ersten Piezoelements angeordnet ist, im Vergleich zum ersten Piezoelement einen geringeren Durchmesser. Somit weist die Wandlereinrichtung insgesamt eine geringere Masse im Vergleich zu einer Wandlereinrichtung, bei welcher die beiden Piezoelemente den gleichen Durchmesser aufweisen, auf. Auf diese Weise kann eine höhere Dynamik erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement unterschiedliche Dicken bzw. Schichtdicken auf. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das zweite Piezoelement eine geringere Dicke aufweist als das erste Piezoelement. Das erste Piezoelement wird insbesondere dazu verwendet, die Membran während der Sendephase zu Schwingungen anzuregen. Das zweite Piezoelement dient insbesondere dazu, während der Sendephase die Membran zusätzlich zu Schwingungen anzuregen und/oder während der Ausschwingphase eine zu der Schwingung der Membran gegenphasige Schwingung zu erzeugen. Daher ist nicht erforderlich, dass das zweite Piezoelement im Betrieb die gleiche Leistung bereitstellt wie das erste
Piezoelement. Das zweite Piezoelement kann daher im Vergleich zum ersten
Piezoelement eine geringere Schichtdicke aufweisen. Damit kann eine hohe Dynamik der Wandlereinrichtung gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement unterschiedliche Formen auf. Grundsätzlich können das erste und/oder das zweite Piezoelement plattenförmig, scheibenförmig, quaderförmig, zylinderförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können beide zylinderförmig bzw. rund ausgebildet sein. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können beide quaderförmig bzw. eckig ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass eines der Piezoelement quaderförmig und das andere Piezoelement zylinderförmig ausgebildet ist. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement können bevorzugt plattenförmig oder als Scheibe ausgebildet sein. Wie bereits erläutert, ist es bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Piezoelement eine geringere Leistungsfähigkeit als das erste Piezoelement aufweist. Daher kann das zweite Piezoelement ein geringeres Volumen als das erste Piezoelement aufweisen.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das zweite Piezoelement ringförmig ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann das zweite Piezoelement hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Das erste Piezoelement ist dabei insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Insbesondere ist das erste Piezoelement als runde Platte ausgebildet. Damit ist das erste Piezoelement nur an einem Randbereich von dem zweiten Piezoelement bedeckt. Somit kann erreicht werden, dass das erste Piezoelement in einem von dem Randbereich verschiedenen mittleren Bereich frei schwingen kann. Auf diese Weise kann insbesondere während der Empfangsphase eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das erste Piezoelement aus einem ersten Material gebildet ist und das zweite Piezoelement aus einem von dem ersten Material
verschiedenen, zweiten Material gebildet ist. Grundsätzlich können das erste und/oder das zweite Piezoelement aus einem Kristall bzw. einem Quarz gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, das erste und/oder das zweite Piezoelement aus einer
piezoelektrischen Keramik, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) gefertigt sind. Das erste und/oder das zweite Piezoelement können auch aus Dünnschichten, die beispielsweise Aluminiumnitrid oder Zinkoxid umfassen, gebildet sein. Das erste und/oder das zweite Piezoelement können auch aus einem piezoelektrischen Kunststoff, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), gebildet sein. Beispielsweise kann das erste Piezoelement aus PZT gebildet sein. Somit kann während der Sendephase eine hohe Sendeleistung und während der Empfangsphase eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Das zweite Piezoelement kann aus einer dünnen Sicht eines piezoelektrischen Materials oder aus PVDF gebildet sein. Auf diese Weise kann die erforderliche Dynamik gewährleistet werden.
Ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Ultraschallsensorvorrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist. Diese Ultraschallsensoren können beispielsweise verteilt an dem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Das Fahrerassistenzsystem kann insbesondere als sogenannte
Einparkhilfe ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes
Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird eine Membran eines Ultraschallsensors mittels einer Wandlereinrichtung angeregt und/oder eine Schwingung der Membran mittels der Wandlereinrichtung erfasst. Dabei weist die Wandlereinrichtung ein erstes und ein zweites Piezoelement auf. Zudem werden das erste und das zweite Piezoelement unabhängig voneinander angesteuert. Des Weiteren sind das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement zur Schwingungsübertragung miteinander verbunden.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für 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 und 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:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist;
Fig. 2 einen Ultraschallsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht; und
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm, welches den Betrieb der
Ultraschallsensorvorrichtung beschreibt. In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 1 ist in dem vorliegenden Fall als
Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein
Fahrerassistenzsystem 2. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst wiederum eine
Ultraschallsensorvorrichtung 9, welche eine Steuereinrichtung 3 sowie zumindest einen Ultraschallsensor 4 aufweist. Die Steuereinrichtung 3 kann beispielsweise durch ein elektronisches Steuergerät (ECU - Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs 1 gebildet sein.
Die Ultraschallsensorvorrichtung 9 gemäß Fig. 1 umfasst 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 dazu ausgebildet, ein Objekt 8 in einer Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs 1 zu erfassen. Zudem werden die Ultraschallsensoren 4 dazu verwendet, einen Abstand zwischen dem Objekt 8 und dem Kraftfahrzeug 1 zu bestimmen. Die Ultraschallsensoren 4 sind zur Datenübertragung mit der Steuereinrichtung 3 verbunden. Entsprechende Datenleitungen sind vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Ultraschallsensor 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht. Der Ultraschallsensor 4 umfasst eine Membran 10, die vorliegend topfförmig ausgebildet ist. Die Membran 10 kann
beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt sein. Die Membran 10 umfasst einen Membranboden 1 1 sowie eine Membranwandung 12. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 eine Wandlereinrichtung 13. Die Wandlereinrichtung 13 umfasst ein erstes Piezoelement 14 sowie ein zweites Piezoelement 15. Die
Piezoelemente 14, 15 sind insbesondere aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Dabei ist das erste Piezoelement 14 mittels einer ersten Klebeschicht 16 stoffschlüssig mit der Membran 10, insbesondere einer Rückseite 17 des
Membranbodens 1 1 , stoffschlüssig verbunden. Das zweite Piezoelement 15 ist mittels einer zweiten Klebeschicht 18 stoffschlüssig mit dem ersten Piezoelement 14 verbunden. Ferner weist der Ultraschallsensor 4 ein Dämpfungsmaterial 23 auf, in die das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 eingebettet sind. Das erste
Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 sind vorliegend als runde Piezoplättchen bzw. Scheiben ausgebildet. Dabei ist ein Durchmesser d1 des ersten Piezoelements 14 größer als ein Durchmesser d2 des zweiten Piezoelements 15.
Das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 können baugleich ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 quaderförmig ausgebildet sind. Das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 können also als eckige Platten ausgebildet sein. Zudem kann es vorgesehen sein, dass eines der Piezoelemente 14, 15 rund ausgebildet ist und das andere der
Piezoelemente 14, 15 eckig ausgebildet ist. Ferner kann es vorgesehen sein, dass das zweite Piezoelement 15 ringförmig bzw. hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 können aus dem gleichen Material gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
Das erste Piezoelement 14 weist einen ersten elektrischen Anschluss 19
beziehungsweise einen Minus-Anschluss sowie einen zweiten elektrischen Anschluss 20 beziehungsweise einen Plus-Anschluss auf. Das zweite Piezoelement 15 weist einen ersten elektrischen Anschluss 21 beziehungsweise Minus-Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss 22 beziehungsweise Plus-Anschluss auf. Auf diese Weise kann das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement unabhängig voneinander angesteuert werden. Zum Ansteuern des ersten Piezoelements 14 und des zweiten Piezoelements 15 kann die Steuereinrichtung 3 verwendet werden. Alternativ dazu kann das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 mittels einer Elektronik beziehungsweise einer benutzerspezifischen Schaltung (ASIC) angesteuert werden.
Zum Bestimmen des Abstands zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 wird die Ultraschallsensorvorrichtung 9 beziehungsweise der Ultraschallsensor 4 in drei zeitlich aufeinanderfolgenden Betriebsphasen betrieben. Während einer Sendephase S1 wird die Membran 10 beziehungsweise der Membranboden 1 1 des Ultraschallsensors 4 mittels der Wandlereinrichtung 13 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Infolge der Schwingung der Membran 10 wird ein Ultraschallsignal ausgesendet. Während der Sendephase S1 wird sowohl das erste Piezoelement 14 als auch das zweite
Piezoelement 15 angesteuert. Bevorzugt werden das erste Piezoelement 14 und das zweite Piezoelement 15 synchron angesteuert. Somit wird der Membranboden 1 1 sowohl von dem ersten Piezoelement 14 als auch von dem zweiten Piezoelement 15 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Auf diese Weise kann ein hoher Schalldruck beim Aussenden des Ultraschallsignals erreicht werden.
In einer zeitlich auf die Sendephase S1 folgenden Ausschwingphase S2 schwingt die Membran 10 beziehungsweise der Membranboden 1 1 aus. Während der
Ausschwingphase S2 wird das erste Piezoelement 14 und/oder das zweite Piezoelement 15 derart angesteuert, dass die mechanische Schwingung des Membranbodens 1 1 gedämpft wird. Hierzu kann beispielsweise mit dem ersten Piezoelement 14 und/oder dem zweiten Piezoelement 15 die mechanische Schwingung der Membran 10 erfasst werden. Mittels der Steuereinrichtung 3 kann eine zu der Schwingung der Membran 10 gegenphasige Schwingung ermittelt werden beziehungsweise das erste Piezoelement 14 und/oder das zweite Piezoelement 15 derart angesteuert werden, dass es eine zu der Schwingung der Membran 10 gegenphasige Schwingung ausübt. Damit kann erreicht werden, dass die Ausschwingdauer der Membran 10 beziehungsweise des
Membranbodens 1 1 reduziert wird.
In einer sich zeitlich an die Ausschwingphase S2 anschließenden Empfangsphase S3 wird die mechanische Schwingung der Membran 10 beziehungsweise des
Membranbodens 1 1 mit dem ersten Piezoelement 14 und/oder dem zweiten
Piezoelement 15 erfasst. Während der Empfangsphase S3 kann das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal, das auf die Membran 10 trifft, erfasst werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals beziehungsweise des Echos kann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Ultraschallsensorvorrichtung (9) für ein Kraftfahrzeug (1 ), mit einem
Ultraschallsensor (4), welcher eine Membran (10) und eine Wandlereinrichtung (13) zum Anregen der Membran (10) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (10) aufweist, wobei die Wandlereinrichtung (13) ein erstes Piezoelement
(14) und ein zweites Piezoelement (15) aufweist, und mit einer Steuereinrichtung (3) zum unabhängigen Ansteuern des ersten Piezoelements (14) und des zweiten Piezoelements (15),
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) zur
Schwingungsübertragung miteinander verbunden sind.
2. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) stoffschlüssig mit der Membran (10) verbunden ist und das zweite Piezoelement (15) stoffschlüssig mit dem ersten Piezoelement (14) verbunden ist.
3. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, während einer Sendephase (S1 ) des Ultraschallsensors (4) das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement
(15) gleichzeitig anzusteuern.
4. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, während der Sendephase (S1 ) des Ultraschallsensors (4) das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) synchron anzusteuern.
5. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, während einer zeitlich auf die Sendephase (S1 ) folgenden Ausschwingphase (S2) des Ultraschallsensors (4) das erste Piezoelement (14) und/oder das zweite Piezoelement (15) zum Dämpfen einer Schwingung der Membran (10) anzusteuern.
6. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, die Schwingung der Membran (10) zu erfassen und das erste Piezoelement (14) und/oder das zweite Piezoelement (15) derart anzusteuern, dass dieses eine gegenphasige Schwingung zu der erfassten Schwingung ausführt.
7. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, während einer zeitlich auf die
Ausschwingphase (S2) folgenden Empfangsphase (S3) die Schwingung der Membran (10) mittels des ersten Piezoelements (14) und/oder des zweiten
Piezoelements (15) zu erfassen.
8. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) einen ersten Durchmesser (d1 ) aufweist, welcher größer ist als ein zweiter Durchmesser (d2) des zweiten Piezoelements (15).
9. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
10. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) unterschiedliche Formen aufweisen.
1 1 . Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Piezoelement (15) ringförmig ausgebildet ist.
12. Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) aus einem ersten Material gebildet ist und das zweite Piezoelement (15) aus einem von dem ersten Material verschiedenen, zweiten Material gebildet ist.
13. Fahrerassistenzsystem (2) für ein Kraftfahrzeug (1 ) mit zumindest einer
Ultraschallsensorvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Kraftfahrzeug (1 ) mit einem Fahrerassistenzsystem (2) nach Anspruch 13.
15. Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallsensorvorrichtung (9) für ein
Kraftfahrzeug(l ), bei welchem eine Membran (10) eines Ultraschallsensors (4) mittels einer Wandlereinrichtung (13) angeregt wird und/oder eine Schwingung der Membran (10) mittels der Wandlereinrichtung (13) erfasst wird, wobei die
Wandlereinrichtung (13) ein erstes Piezoelement (14) und ein zweites Piezoelement (15) aufweist, und bei welchem das erste Piezoelement (14) und das zweite
Piezoelement (15) unabhängig voneinander angesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Piezoelement (14) und das zweite Piezoelement (15) zur
Schwingungsübertragung miteinander verbunden sind.
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