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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Ultraschallwandler, wobei der zumindest eine Ultraschallwandler ein Wandlerelement zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschallsignals aufweist, wobei das Wandlerelement aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist, und mit einer Temperaturbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Temperatur des Ultraschallwandlers. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Ultraschallwandlervorrichtung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Ultraschallwandlervorrichtungen für Kraftfahrzeuge. Derartige Ultraschallwandlervorrichtungen können beispielsweise mehrere Ultraschallwandler beziehungsweise Ultraschallsensoren aufweisen, die an den Stoßfängern des Kraftfahrzeugs angeordnet werden können. Solche Ultraschallwandlervorrichtungen werden beispielsweise in Parkhilfesystemen verwendet, welche den Fahrer beim Einparken in eine Parklücke unterstützen. Mit den Ultraschallwandlern können Objekte in der Umgebung erkannt werden und der Abstand zu den Objekten bestimmt werden. Die Sendeleistung und die Empfangsempfindlichkeit der Ultraschallwandler werden bei der Herstellung abgeglichen. Mit dem Ziel der Objekterkennung erfolgt durch sie die Aussendung eines Ultraschallsignals, das von Objekten in der Nähe reflektiert wird. Die Auswertung der empfangenen Echos der Ultraschallsignale lässt dann Rückschlüsse auf die Position und die Art des Objekts zu.
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Dabei wird die Leistungsfähigkeit der Parkhilfesysteme bzw. Ultraschallwandlervorrichtungen im Wesentlichen durch die Qualität der Objektdetektion bestimmt. Eine besondere Schwierigkeit stellen hierbei die sich verändernden akustischen Eigenschaften der Luft dar. So hat die Lufttemperatur einen direkten Einfluss auf die Luftschallgeschwindigkeit und gemeinsam mit der Luftfeuchtigkeit und dem Luftdruck bestimmt sie zudem maßgeblich die Luftschalldämpfung. Erst wenn die Luftschalldämpfung bekannt ist, können die optimale Sendeleistung und/oder Empfangsempfindlichkeit eingestellt werden. Somit können die reflektierten Ultraschallsignale beziehungsweise die Echos entsprechend interpretiert werden und somit die Objektdetektion durchgeführt werden. Wenn der Abstand beziehungsweise die Distanz zu einem Objekt bestimmt werden soll, erfolgt dies auf der Grundlage der Signallaufzeit des Ultraschallsignals. Hierbei ist es erforderlich, dass die Luftschallgeschwindigkeit präzise bestimmt werden kann, um die Objektdistanz zuverlässig schätzen zu können.
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Aktuelle Ultraschallwandlervorrichtungen beziehungsweise Parkhilfesysteme berücksichtigen die Umgebungstemperatur, indem sie diese von Sensoren des Kraftfahrzeugs einlesen. Dabei ergeben sich bei der Bestimmung der Temperatur weitere Limitierungen. Die Temperatur ist meist ein gefilterter Wert, der sich nur bei höheren Geschwindigkeiten aktualisiert. Dies hat üblicherweise zur Folge, dass während eines Rangierbetriebs des Kraftfahrzeugs keine aktuellen Temperaturwerte bereitgestellt werden. Dies lässt unter Umständen keine ausreichende Reaktion auf schnell wechselnde Temperaturverhältnisse zu. Dies gilt beispielsweise bei der Einfahrt in eine kühlere Garage, wo eine präzise Objektdetektion besonders hilfreich wäre. Des Weiteren befinden sich die Temperatursensoren meist in der Nähe des Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs. Bei ausreichend schneller Fahrt wird der Temperatursensor durch den Fahrtwind angeströmt und kann die Temperatur ausreichend genau ermitteln. Bei langsamer Fahrt oder bei längeren Stillstandzeiten hingegen kann die Temperatur stark verfälscht sein. Dies ist beispielsweise durch Stauwärme, welche sich im Betrieb des Antriebsmotors ausbildet, und/oder Sonneneinstrahlung und/oder durch Umwelteinflüsse begründet.
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Hierzu beschreibt die
US 2007/0157728 A1 einen Ultraschallsensor, welcher einen integrierten Temperatursensor aufweist. Der Temperatursensor kann als temperaturempfindlicher Widerstand ausgebildet sein. Darüber hinaus weist der Ultraschallsensor eine integrierte Schaltung auf, mittels welcher die Temperatur des Ultraschallsensors bestimmt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen zuverlässiger betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallwandlervorrichtung, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug zumindest einen Ultraschallwandler, wobei der zumindest eine Ultraschallwandler bevorzugt ein Wandlerelement zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschallsignals aufweist. Dabei ist das Wandlerelement bevorzugt aus einem piezoelektrischen Material gebildet. Darüber hinaus umfasst die Ultraschallwandlervorrichtung bevorzugt eine Temperaturbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Temperatur des Ultraschallwandlers. Bevorzugt ist die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt, eine ferroelektrische Größe zu bestimmen, welche insbesondere eine temperaturabhängige ferroelektrische Hysteresekennlinie des piezoelektrischen Materials beschreibt. Zudem ist die Temperaturbestimmungseinrichtung bevorzugt dazu ausgelegt, die Temperatur des Ultraschallwandlers anhand der ferroelektrischen Größe zu bestimmen.
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Eine erfindungsgemäße Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen Ultraschallwandler, wobei der zumindest eine Ultraschallwandler ein Wandlerelement zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschallsignals aufweist, wobei das Wandlerelement aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Darüber hinaus umfasst die Ultraschallwandlervorrichtung eine Temperaturbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Temperatur des Ultraschallwandlers. Die Temperaturbestimmungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine ferroelektrische Größe zu bestimmen, welche eine temperaturabhängige ferroelektrische Hysteresekennlinie des piezoelektrischen Materials beschreibt, und die Temperatur des Ultraschallwandlers anhand der ferroelektrischen Größe zu bestimmen.
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Die Ultraschallwandlervorrichtung umfasst zumindest einen Ultraschallwandler bzw. einen Ultraschallsensor. Die Ultraschallwandlervorrichtung kann beispielsweise Teil eines Parkhilfesystems sein, welches den Fahrer beim Einparken in eine Parklücke unterstützt. Mithilfe der Ultraschallwandlervorrichtung können Objekte in der Umgebung des Kraftfahrzeugs erkannt werden. Darüber hinaus kann ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden. Zu diesem Zweck kann mit den Ultraschallwandlern jeweils ein Ultraschallsignal ausgesendet werden und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal beziehungsweise das Echo 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. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Echos des ausgesendeten Ultraschallsignals empfangen werden. Auf Grundlage dieser Echos kann dann ermittelt werden, ob es sich um ein niedriges oder um ein hohes Objekt handelt.
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Der Ultraschallwandler umfasst das Wandlerelement, welches aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist. Dieses piezoelektrische Material weist ferroelektrische Eigenschaften auf. Beispielsweise kann das Wandlerelement aus einer piezoelektrischen Keramik, insbesondere Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Zinkoxid, Aluminiumnitrid, oder einem piezoelektrischen Kunststoff gebildet sein. Das Wandlerelement kann zum Aussenden des Ultraschallsignals beispielsweise mit einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Hierdurch wird das Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Es kann auch vorgesehen sein, dass dieses Wandlerelement mit einer Membran verbunden ist, welche dann mittels des Wandlerelements zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal trifft wiederum auf den Ultraschallwandler. Beispielweise kann die Membran des Ultraschallwandlers durch das reflektierte Ultraschallsignal zu Schwingungen angeregt werden, welche dann auf das Wandlerelement übertragen werden. Infolge dieser Schwingungen kann mit dem Wandlerelement ein Sensorsignal in Form einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung bereitgestellt werden.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung umfasst die Ultraschallwandlervorrichtung die Temperaturbestimmungseinrichtung. Diese Temperaturbestimmungseinrichtung kann nun die Temperatur des Ultraschallwandlers mithilfe des Wandlerelements bzw. des piezoelektrischen Materials selbst bestimmen. Hierbei wird berücksichtigt, dass das piezoelektrische Material ferroelektrische Eigenschaften aufweist, welche temperaturabhängig sind. Mithilfe der Temperaturbestimmungseinrichtung kann die ferroelektrische Größe bestimmt werden, welche eine temperaturabhängige ferroelektrische Eigenschaft des piezoelektrischen Materials beschreibt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, mittels der Temperaturbestimmungseinrichtung die temperaturabhängige ferroelektrische Hysterese bzw. die ferroelektrische Hysteresekennlinie des piezoelektrischen Materials zu bestimmen. Die ferroelektrische Hysteresekennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem an dem Wandlerelement angelegten elektrischen Feld und der dadurch hervorgerufenen elektrischen Polarisation. Diese ferroelektrische Hysteresekennlinie ist abhängig von der Temperatur des Wandlerelements und damit von der Temperatur der Ultraschallwandlervorrichtung. Wenn nun die ferroelektrische Größe, welche diese ferroelektrische Hysteresekennlinie beschreibt, bestimmt wird, kann auf die Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers geschlossen werden. Somit kann das Wandlerelement selbst als Temperatursensor verwendet werden. Darüber hinaus wird es ermöglicht, dass die Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers präzise bestimmt werden kann und somit im Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise wird insgesamt ein zuverlässiger Betrieb der Ultraschallwandlervorrichtung ermöglicht.
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Bevorzugt weist die Temperaturbestimmungseinrichtung eine Auswerteschaltung auf, welche dazu ausgelegt ist, zum Bestimmen der ferroelektrischen Größe eine Polarisation des piezoelektrischen Materials in Abhängigkeit von einem an dem piezoelektrischen Material angelegten elektrischen Feld zu erfassen. Die Auswerteschaltung kann in dem Ultraschallwandler angeordnet sein oder separat dazu angeordnet sein. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise nach Art einer sogenannten Sawyer-Tower-Schaltung ausgebildet sein oder eine solche Sawyer-Tower-Schaltung umfassen. Mithilfe einer derartigen Auswerteschaltung kann die elektrische Polarisation des piezoelektrischen Materials in Abhängigkeit von dem an dem piezoelektrischen Material angelegten elektrischen Feld bestimmt werden. Diese Abhängigkeit beschreibt die ferroelektrische Hysteresekennlinie. Somit kann die ferroelektrische Größe des piezoelektrischen Materials bestimmt werden und hieraus die Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers abgeleitet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt, als die ferroelektrische Größe eine Steigung der ferroelektrischen Hysteresekennlinie, eine remanente Polarisation des piezoelektrischen Materials und/oder eine Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen Materials zu bestimmen. Die Steigung der Kennlinie bzw. der Hysteresekennlinie, die remanente Polarisation und/oder die Koerzitivfeldstärke stellen spezifische Charakteristika der Hysterese-Kurve bzw. der sogenannten P(E)-Kennlinie dar. Diese temperaturabhängigen ferroelektrischen Größen können eindeutig bestimmt werden. Hieraus kann die Temperatur des Ultraschallwandlers präzise abgeleitet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die ferroelektrische Größe anhand von elektrischen Verlusten bei einer Umpolarisierung des piezoelektrischen Materials zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit, die ferromagnetische Größe zu bestimmen, ist es, die bei der Umpolarisierung des piezoelektrischen Materials entstehenden temperaturabhängigen Hysterese-Verluste heranzuziehen. Die Fläche, welche von der Hysterese-Kurve bzw. der ferroelektrischen Hysteresekennlinie eingeschlossen ist, beschreibt diese Verluste. Insbesondere beschreibt die eingeschlossene Fläche die volumenspezifische Energie, die während einer Periode dissipiert wird, falls das piezoelektrische Element periodisch angesteuert wird. Auf diese Weise kann die temperaturabhängige ferroelektrische Größe präzise bestimmt werden.
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Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die elektrischen Verluste anhand einer elektrischen Spannung und eines elektrischen Stroms bei einer periodischen Ansteuerung des Wandlerelements zu bestimmen. Die Bestimmung der Hysterese-Verluste lässt sich bei periodischer Ansteuerung des Wandlerelements mittels Messung der elektrischen Spannung und der elektrischen Stromstärke durchführen. Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass eine anschließende Mittelwertbildung über exakt eine oder mehrere volle Perioden realisiert wird. Somit können die Verluste und damit auch die ferroelektrische Größe auf einfache und zuverlässige Weise bestimmt werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die ferroelektrische Größe einer vorbestimmten (bzw. zuvor bestimmten) ferroelektrischen Referenzgröße zuzuordnen, welche eine Referenztemperatur beschreibt, und die Temperatur in der Umgebung anhand der Referenztemperatur zu bestimmen. Mit anderen Worten können in einem Speicher der Temperaturbestimmungseinrichtung eine Mehrzahl von ferroelektrischen Referenzgrößen und jeweils dazugehörige Referenztemperaturen gespeichert sein. Diese Referenzgrößen und Referenztemperaturen können beispielsweise vor der Auslieferung der Ultraschallwandlervorrichtung bzw. vor der Auslieferung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Dabei können vorbestimmte Referenztemperaturen vorgegeben werden und hierbei die jeweilige ferroelektrische Referenzgröße bestimmt werden. Im Betrieb der Ultraschallwandlervorrichtung bzw. des Kraftfahrzeugs kann dann die bestimmte ferroelektrische Größe einer der ferroelektrischen Referenzgrößen zugeordnet werden und hieraus die Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers abgeleitet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Ultraschallwandlervorrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern auf und die Temperaturbestimmungseinrichtung ist dazu ausgelegt, die Temperatur von jedem der Ultraschallwandler zu bestimmen. Es kann also vorgesehen sein, dass die Ultraschallwandlervorrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern aufweist, welche zum Beispiel verteilt an dem Kraftfahrzeug angeordnet werden können. Beispielsweise können diese Ultraschallwandler an dem vorderen und dem hinteren Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Ultraschallwandler unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Insbesondere durch die lokale Einwirkung der Sonnenstrahlung können die Ultraschallwandler unterschiedlich erwärmt werden. Um dies zu berücksichtigen, werden für jeden der Ultraschallwandler die ferroelektrische Größe und hieraus die Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers bestimmt. Somit kann der Betrieb jedes Ultraschallwandlers an die Temperatur in der Umgebung angepasst werden.
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Der Ultraschallwandler weist bevorzugt eine Membran auf, an welcher das Wandlerelement angeordnet ist. Dabei ist die Temperaturbestimmungseinrichtung insbesondere dazu ausgelegt, die Temperatur in der Umgebung anhand von thermischen Eigenschaften der Membran zu bestimmen. Die Membran kann beispielweise topfförmig ausgebildet sein und aus Aluminium gefertigt sein. Das Wandlerelement kann stoffschlüssig mit einem Membranboden der Membran verbunden sein. Insbesondere kann das Wandlerelement mittels eines Klebstoffs mit der Membran verbunden sein. Da der Klebstoff üblicherweise eine sehr geringe Schichtdicke aufweist, kann von einer direkten Wärmeübertragung zwischen dem Wandlerelement und der Aluminiummembran ausgegangen werden. Während der Fahrt des Kraftfahrzeugs kann sich die Temperatur der Membran infolge eines Temperaturausgleichs bei erzwungener Konvektion verändern. Wenn die Eigenerwärmung des Wandlerelements infolge der Ansteuerung vernachlässigbar ist, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Temperatur des Wandlerelements innerhalb einer kurzen Zeit an die Temperatur der Umgebungsluft annähert. Diese Zeit kann auf Grundlage der thermischen Eigenschaften der Membran, beispielsweise der Wärmekapazität und/oder der Wärmeleitfähigkeit, bestimmt werden.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt vorgesehen, dass anhand der Temperatur eine Luftschallgeschwindigkeit der Luft in der Umgebung des Ultraschallwandlers bestimmt wird. Die Luftschallgeschwindigkeit beschreibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in der Luft. Diese ist abhängig von der Temperatur der Luft. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Ultraschallwandervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und einem Objekt in Abhängigkeit von der Luftschallgeschwindigkeit zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Objekt wird anhand der Laufzeit des Ultraschallsignals bestimmt. Dabei breitet sich das Ultraschallsignal von dem Ultraschallwandler zu dem Objekt aus, wird von dem Objekt reflektiert und gelangt wieder zu dem Ultraschallwandler zurück. Wenn nun die Luftschallgeschwindigkeit genau bestimmt werden kann, kann auch der Abstand zu dem Objekt präzise bestimmt werden. Auf Grundlage der ferroelektrischen Größe können die Temperatur des Ultraschallwandlers und damit auch die Temperatur der Luft in der Umgebung des Ultraschallwandlers bestimmt werden. Hieraus kann dann die Luftschallgeschwindigkeit bestimmt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallwandlervorrichtung. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Ultraschallwandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird mittels einer Temperaturbestimmungseinrichtung eine Temperatur in einer Umgebung zumindest eines Ultraschallwandlers bestimmt, welcher ein Wandlerelement zum Aussenden und/oder Empfangen eines Ultraschallsignals aufweist, wobei das Wandlerelement aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Des Weiteren wird mittels der Temperaturbestimmungseinrichtung eine ferroelektrische Größe bestimmt, welche eine temperaturabhängige ferroelektrische Hysteresekennlinie des piezoelektrischen Materials beschreibt. Schließlich wird die Temperatur des Ultraschallwandlers anhand der ferroelektrischen Größe mittels der Temperaturbestimmungseinrichtung bestimmt.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallwandlervorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt 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. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welches eine Ultraschallwandlervorrichtung aufweist;
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2 einen Ultraschallwandler in einer Perspektivansicht;
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3 eine Membran und ein Wandlerelement des Ultraschallwandlers;
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4 eine ferroelektrische Hysteresekennlinie eines piezoelektrischen Materials des Wandlerelements; und
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5 ferroelektrische Hysteresekennlinien des piezoelektrischen Materials bei unterschiedlichen Temperaturen.
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In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 ist vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Ultraschallwandlervorrichtung 2. Mithilfe der Ultraschallwandlervorrichtung 2 können Objekte 8 in einer Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs 1 erfasst werden. Die eine Ultraschallwandlervorrichtung 2 kann Teil eines Fahrerassistenzsystems des Kraftfahrzeugs 1 sein. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise als Parkhilfesystem ausgebildet sein, welches den Fahrer beim Einparken in eine Parklücke oder beim Ausparken aus einer Parklücke unterstützt.
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Die Ultraschallwandlervorrichtung 2 umfasst zumindest einen Ultraschallwandler 4 sowie ein elektronisches Steuergerät 3. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ultraschallwandlervorrichtung 2 acht Ultraschallwandler 4. Dabei sind vier Ultraschallwandler 4 in einem Frontbereich 5 des Kraftfahrzeugs 1 und vier Ultraschallwandler 4 in einem Heckbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Ultraschallwandler 4 sind zur Datenübertragung mit dem Steuergerät 3 verbunden. Vorliegend sind entsprechende Datenleitungen oder ein Datenbus der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Darüber hinaus umfasst die Ultraschallwandlervorrichtung 2 eine Temperaturbestimmungseinrichtung 9, mittels welcher eine Temperatur der jeweiligen Ultraschallwandler 4 bestimmt werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass jedem Ultraschallwandler 4 eine eigene Temperaturbestimmungseinrichtung 9 zugeordnet ist.
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2 zeigt einen Ultraschallwandler 4 in einer Perspektivansicht. 3 zeigt eine Membran 10 sowie ein Wandlerelement 11 des Ultraschallwandlers 4. Hierbei ist zu erkennen, dass die Membran 10 topfförmig ausgebildet ist. Die Membran 10 kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Das Wandlerelement 11 ist vorliegend scheibenförmig ausgebildet. Das Wandlerelement 11 ist aus einem piezoelektrischen Material gefertigt. Das Wandlerelement 11 kann mit einem Klebstoff an einer Innenseite eines Membranbodens 12 der Membran 10 befestigt sein. Mithilfe des Wandlerelements 11 kann die Membran 10 bzw. der Membranboden 12 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Somit kann das Ultraschallsignal ausgesendet werden. Wenn das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal wieder auf die Membran 10 des Ultraschallwandlers 4 trifft, kann die Schwingung der Membran 10 mithilfe des Wandlerelements 11 erfasst werden. Mit dem Ultraschallwandler 4 beziehungsweise mit dem Wandlerelement 11 kann dann ein Sensorsignal ausgegeben werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals kann dann ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 bestimmt werden. Um den Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 bestimmen zu können und/oder das Objekt 8 zuverlässig charakterisieren zu können, ist es erforderlich, die Eigenschaften der Luft in der Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs 1 zu kennen. Insbesondere die Temperatur der Luft wirkt sich auf die Ausbreitung des Ultraschallsignals in der Luft aus.
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Abgesehen von den akustischen Eigenschaften der Luft weist auch das Wandlerelement 11 und die Klebeschicht, mit der das Wandlerelement 11 an der Membran 10 fixiert ist, eine nennenswerte Temperaturabhängigkeit auf. Hierzu zeigt 4 eine ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 des piezoelektrischen Materials des Wandlerelements 11. Bei dem Graph aus 4 ist auf der Abszisse ein elektrisches Feld E und auf der Ordinate eine Polarisation P aufgetragen. Die Abhängigkeit der Polarisation P von dem elektrischen Feld E ist hysteresebehaftet. Mit dem Anstieg des elektrischen Feldes E steigt die Polarisation P an und erreicht einen Sättigungsbereich. Bei vollständiger Sättigung sind alle molekularen Dipole in Feldrichtung orientiert. Nach Abschalten des äußeren elektrischen Feldes E verbleibt eine remanente Polarisation Pr mit demselben Vorzeichen des zuvor angelegten Feldes. Durch das Anlegen eines ausreichend starken äußeren elektrischen Feldes E mit dem entgegengesetzten Vorzeichen der Polarisation P des Materials, lässt diese sich bis auf null reduzieren. Die dazu benötigte elektrische Feldstärke E bzw. deren Betrag wird als Koerzitivfeldstärke Ec bezeichnet Zudem ist die sogenannte Neukurve 14 gezeigt. Die Neukurve 14 beschreibt die zunehmende Polarisierung des Materials infolge des angelegten elektrischen Feldes E ausgehend vom ausgezeichneten depolarisierten Zustand.
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Wird ein piezoelektrisches Material bei unterschiedlichen Temperaturen T1, T2 und jeweils identischer elektrischer Vorgeschichte mit demselben Signal angesteuert, so lässt sich die veränderte Übertragungscharakteristik anhand der ferroelektrischen Hysteresekennlinie 13 beobachten. Hierzu zeigt 5 die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 für eine erste Temperatur T1 und die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 für eine zweite Temperatur T2. Hierbei ist zu erkennen, dass die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 eine Temperaturabhängigkeit aufweist.
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Um nun die Temperatur in der Umgebung der jeweiligen Ultraschallwandler 4 zu bestimmen, ist es vorgesehen, dass mittels der Temperaturbestimmungseinrichtung 9 eine ferroelektrische Größe bestimmt wird, welche die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 beschreibt. Eine Möglichkeit besteht darin, die temperaturabhängige Veränderung der remanenten Polarisation Pr, der Koerzitivfeldstärke Ec und/oder der Steigung der Kennlinie bzw. der ferroelektrischen Hysteresekennlinie 13 zu bestimmen. Hierzu kann die Temperaturbestimmungseinrichtung 9 eine entsprechende Auswerteschaltung und insbesondere eine sogenannte Sawyer-Tower-Schaltung aufweisen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die bei der Umpolarisierung des piezoelektrischen Materials entstehenden temperaturabhängigen Hysterese-Verluste für die Auswertung heranzuziehen. Dabei beschreibt die durch die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 eingeschlossene Fläche die volumenspezifische dissipierte Energie für eine vollständige Periode.
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Auf Grundlage der ferroelektrischen Größe, welche die ferroelektrische Hysteresekennlinie 13 beschreibt, kann dann die Temperatur in der Umgebung des jeweiligen Ultraschallwandlers 4 bestimmt werden. Hierzu kann die ferroelektrische Größe beispielsweise mit zuvor bestimmten ferroelektrischen Referenzgrößen verglichen werden, welche bei vorgegebenen Temperaturen ermittelt wurden. Mithilfe der Temperaturbestimmungseinrichtung 9 kann dann die Temperatur der Wandlerelemente 11 der jeweiligen Ultraschallwandler 4 bestimmt werden. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur des jeweiligen Wandlerelements 11 der Temperatur in der Umgebung des Ultraschallwandlers 4 entspricht. Dadurch, dass die Temperatur für die jeweiligen Ultraschallwandler 4 bestimmt wird, können Umgebungseinflüsse und insbesondere Einflüsse der Sonnenstrahlung auf die an unterschiedlichen Positionen angeordneten Ultraschallwandler 4 berücksichtigt werden.
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Anhand der bestimmten Temperaturen der jeweiligen Wandlerelemente 11 bzw. Ultraschallwandler 4 kann dann auf die Temperatur der Luft in der Umgebung der jeweiligen Ultraschallwandler 4 rückgeschlossen werden. Hieraus kann dann die jeweilige Übertragungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in der Luft rückgeschlossen werden. Somit kann die Bestimmung des Abstands zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 mittels des Steuergeräts 3 auf zuverlässige und präzise Weise durchgeführt werden.
