Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbe- griff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine korrespondie ^¬ rende Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug.

Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler zur

Umfelderfassung in Fahrzeugen bekannt, welche Piezo-Elemente umfassen, welche jeweils mit einer Wechselspannung von ca. 50 bis lOOV _pp und einer Frequenz von ca. 30 bis 60kHz angesteuert werden müssen. Zur Erzeugung dieser Wechselspannung wird in der Regel ein Gegentakttransformator verwendet, dessen beide Primärwicklungen von Schaltern in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit) abwechselnd an eine Versorgungsspannung geschaltet werden. An der Sekundärspule kann dann die hoch transformierte Spannung für das Piezo-Element abgegriffen werden. Als nachteilig kann bei dieser Anordnung angesehen werden, dass der Gegentakttransformator einen Großteil des zur Verfügung stehenden Raumes auf einer korrespondierenden Leiterplatte einnimmt. Zudem ergeben sich für den Gegentakttransformator vergleichsweise hohe Kosten. In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 061 963 AI wird ein bi ^¬ polarer DC/DC-Wandler zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit wahlfreier Polarität basierend auf einer Eingangsgleichspannung vorgeschlagen. Die beschriebene Wandlerschaltung um- fasst einen Eingang und einen Ausgang und verwendet statt des Gegentakttransformators eine wesentlich kleinere und preis ^¬ günstigere Drosselspule. Des Weiteren ist eine erste Schalt ^¬ einrichtung vorgesehen, um einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss der Drosselspule wahlfrei mit dem Eingang zu verbinden. Eine zweite Schalteinrichtung ist vorgesehen, um einen der Anschlüsse der Drosselspule mit dem Ausgang zu ver ^¬ binden. Durch die besondere Art der Ansteuerung der Schalteinrichtungen ergibt sich am Ausgang eine Gleichspannung mit einer gewünschten Amplitude und Polarität. Die beschriebene Wandlerschaltung kann beispielsweise als Ansteuerschaltung für einen piezokeramischen Aktuator verwendet werden. Solche Ak- tuatoren stellen kapazitive Lasten dar, welche je nach Anwendung abwechselnd mit Spannungen im positiven Bereich zwischen 0 und l,5kV, und im negativen Bereich zwischen 0 und -500V an- gesteuert werden.

Bei der Anwendung einer solchen Wandlerschaltung in einem Ultraschallwandler entsteht durch den Entfall des Gegentakttrans- formators das Problem, dass natürlich auch die Sekundärinduktivität des Gegentakttransformators nicht mehr vorhanden ist, so dass es Probleme mit der Ausschwingzeit des Piezo-Elements während des Empfangs der Echosignale geben kann. Unter „Aus ^¬ schwingzeit" des Piezo-Elements wird eine Zeitdauer verstan ^¬ den, in welcher die Amplitude des Sendesignals unter einen vorgegebenen Schwellwert abklingt. Empfangene Signale, deren Amplituden gleich oder kleiner als dieser Schwellwert sind, werden nicht als Echosignal erkannt. Empfangene Signale, deren Amplituden größer als der vorgegebene Schwellwert sind, werden dagegen als Echosignal erkannt und ausgewertet. Die Aus ^¬ schwingzeit ist ein Maß für den kürzesten messbaren Abstand. Trifft das Echosignal innerhalb der Ausschwingzeit ein, so kann der Ultraschallwandler das Echosignal nicht erkennen, da der Schwellwert bereits durch die Amplitude des Sendesignals überschritten wird. Deshalb ist es wichtig, die Ausschwingzeit so gering wie möglich zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler und eine Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug vorzuschlagen, welche zur Erzeugung der Wechselspannung für ein Piezo-Element einen Schaltregler mit einer Drosselspule und keinen Gegentakttransformator verwendet und die oben genannten Probleme vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschall ^¬ wandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug mit den Merkma- len des Anspruchs 10 gelöst. Weitere die Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale ent ^¬ halten die Unteransprüche.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass pa- rallel zum Piezo-Element eine Kompensationsinduktivität für einen Empfangsbetrieb angeordnet ist, um einen Ultraschall ^¬ wandler mit einem Schaltregler zur Verfügung zu stellen, welcher eine Drosselspule und keinen Transformator zur Erzeugung der Wechselspannung für das Piezo-Element umfasst. Durch die Kompensationsinduktivität können in vorteilhafter Weise para ^¬ sitäre Kapazitäten des Piezo-Elements kompensiert werden und die Ausschwingzeiten eines Ultraschallwandlers mit Gegentakt ^¬ transformator erreicht werden. Zudem ist ein Empfangsverstärker vorgesehen, welcher ein in Reaktion auf das Messsignal empfangenes Echosignal verstärkt und als Ausgangssignal aus ^¬ gibt .

Der Grundgedanke der Erfindung basiert darauf, dass der Gegen ^¬ takttransformator im Ultraschallwandler durch eine Drosselspu- le mit Umschalteinheiten ersetzt wird und eine zusätzliche

Kompensationsinduktivität parallel zum Piezo-Element geschal ^¬ tet wird, um die erforderlichen Ausschwingzeiten im Empfangsbetrieb zu gewährleisten. Ähnlich einem Schaltregler wird die Drosselspule mit einer wesentlich höheren Frequenz getaktet. Dadurch kann für die Drosselspule ein kleinerer Kern als für den Gegentakttransformator zum Einsatz gelangen. Die Ansteuerspannung kann auf einfache Weise durch Ändern des Puls-Pausen-Verhältnisses der verwende- ten Taktsignale eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil be ^¬ steht darin, dass durch die hohe Taktfrequenz ein wesentlich kleinerer Glättungskondensator für die Spannungsversorgung eingesetzt werden kann.

Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler umfasst ein Piezo- Element und einen Schaltregler zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für das Piezo-Element , welches in Abhängigkeit von der Ansteuerspannung ein Messsignal erzeugt und abstrahlt, wo ^¬ bei der Schaltregler eine Spannungsversorgung, eine Auswerte- und Steuereinheit, zwei Umschalteinheiten und eine Drosselspu- le umfasst, wobei über die Umschalteinheiten entweder die

Spannungsversorgung oder das Piezo-Element mit der Drosselspu ^¬ le verbunden ist. Erfindungsgemäß ist parallel zum Piezo- Element eine Kompensationsinduktivität für einen Empfangsbe ^¬ trieb angeordnet, wobei ein Empfangsverstärker ein in Reaktion auf das Messsignal empfangenes Echosignal verstärkt und aus ^¬ gibt .

Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug umfassen mindestens einen erfindungsgemäßen Ult- raschallwandler und eine Auswerteeinheit. Hierbei sendet der mindestens eine Ultraschallwandler ein Messsignal aus und emp ^¬ fängt in Reaktion auf das Messsignal mindesten ein Echosignal, welches die Auswerteeinheit zur Ob ekterkennung auswertet. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers kann die Kompensationsinduktivität beispiels ^¬ weise als Spule ausgeführt werden, welche einen erforderlichen Induktivitätswert zur Kompensation der parasitären Kapazitäten im Piezo-Element zur Verfügung stellt. Damit werden aber die Vorteile, die der Entfall des Gegentakttransformators bringt, teilweise wieder vernichtet.

Daher kann die Kompensationsinduktivität in alternativer be ^¬ sonders vorteilhafter Ausgestaltung als Gyratoreinheit ausge- führt werden, welche einen erforderlichen Induktivitätswert zur Kompensation der parasitären Kapazitäten im Piezo-Element aus einer Bezugskapazität nachbildet. Zu diesem Zweck kann die Gyratoreinheit einen negativen Impedanzkonverter mit zwei äußeren ohmschen Widerständen und einer Bezugskapazität umfassen, deren Wert der negative Impedanzkonverter durch Phasenverschiebung in einen korrespondierenden Induktivitätswert um- wandelt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers können die Umschalteinheiten jeweils als Halbleiterschaltung mit zwei Schalttransistoren ausgeführt werden, beispielsweise mit bipolaren Schalttransistoren und/oder mit Feldeffekttransistoren.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers kann eine Logikeinheit durch Umschalten der beiden Umschalteinheiten die Drosselspule an einem ersten Anschluss mit einer Versorgungsspannung und an einem zweiten Anschluss mit Masse verbinden, um Energie in der Drosselspule zu speichern. Um das Piezo-Element mit einer positiven Ansteuerspannung zu versorgen, kann die Logikeinheit eine erste Umschalteinheit nach dem Energiespeichervorgang wieder in die Ausgangsposition umschalten. Alternativ kann die Logikeinheit eine zweite Umschalteinheit nach dem Energiespeichervorgang wieder in die Ausgangsposition umschalten, um das Piezo- Element mit einer negativen Ansteuerspannung zu versorgen. Zur Erzeugung des gewünschten Wechselsignals als Ansteuerspannung für das Piezo-Element kann die Logikeinheit zur Erzeugung ei ^¬ nes positiven Spannungsanteils der Ansteuerspannung die erste Umschalteinheit mit einem ersten Taktsignal ansteuern. Zur Er ^¬ zeugung eines negativen Spannungsanteils der Ansteuerspannung kann die Logikeinheit die zweite Umschalteinheit mit einem zweiten Taktsignal ansteuern.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers kann die Logikeinheit die Höhe des positi- ven oder negativen Spannungsanteils der Ansteuerspannung über das Tastverhältnis der beiden Taktsignale einstellen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert. In den

Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

In der Darstellung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbei ^¬ spiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Gyratoreinheit für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus Fig. 1.

Fig. 3 ein schematisches Ersatzschaltbild eines Piezo-Elements für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus Fig. 1.

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer ersten Umschaltein- heit für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus

Fig. 1.

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer zweiten Umschalteinheit für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus Fig. 1. Fig. 6 ein schematisches Kennliniendiagramm einer Versorgungsspannung für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus Fig . 1.

Fig. 7 ein schematisches Kennliniendiagramm einer Ansteuerspannung und eines Messsignals für den erfindungsgemä- ßen Ultraschallwandler aus Fig. 1.

Fig. 8 ein schematisches Kennliniendiagramm der Ansteuerspannung für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler aus Fig. 1 in einer anderen zeitlichen Auflösung. Fig. 9 ein schematisches Kennliniendiagramm eines ersten Taktsignals zur Erzeugung der Ansteuerspannung aus Fig. 8.

Fig. 10 ein schematisches Kennliniendiagramm eines zweiten

Taktsignals zur Erzeugung der Ansteuerspannung aus Fig. 8.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Aus ^¬ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 ein Piezo-Element 3 und einen Schaltregler 10 zur Erzeugung einer Ansteuerspannung U _s für das Piezo-Element 3, welches in Abhängigkeit von der Ansteuerspannung U _s ein Messsignal U _RS er ^¬ zeugt und abstrahlt, wobei der Schaltregler 10 eine Spannungs ^¬ versorgung 5, eine Auswerte- und Steuereinheit 12, zwei Um ^¬ schalteinheiten 16, 18 und eine Drosselspule DR1 umfasst. Des Weiteren sind zwei Dioden Dl, D2 vorgesehen, an deren Kreu- zungspunkt die Ansteuerspannung U _s bereitgestellt wird. Über die Umschalteinheiten 16, 18 kann entweder die Spannungsversorgung 5 oder das Piezo-Element 3 mit der Drosselspule DR1 verbunden werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Spannungsversorgung 5 eine Batterie, welche eine Batterie- Spannung U _Bat zur Verfügung stellt, aus welcher eine in Fig. 6 dargestellte Versorgungsspannung U _SUP für den Schaltregler 10 erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist parallel zum Piezo-Element 3 eine Kompen- sationsinduktivität 20 für einen Empfangsbetrieb angeordnet, wobei ein Empfangsverstärker 30 ein in Reaktion auf das Messsignal U _RS empfangenes Echosignal U _RE verstärkt und als Aus ^¬ gangssignal U _o u _t ausgibt. Fig. 2 zeigt eine Gyratoreinheit 20 für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, Fig. 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Piezo-Elements 3 mit einem Reihenschwingkreis, welcher eine Längsinduktivität L _s , einen Längskapazität C _s und einen Längswiderstand R _s umfasst, und mit parasitären Kapazi- täten, welche in einer Parallelkapazität C _P zusammengefasst sind, Fig. 4 zeigt die erste Umschalteinheit 16 und Fig. 5 zeigt die zweite Umschalteinheit 18 für den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler . Bei einer einfachen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Kompensationsinduktivität 20 beispielsweise als Spule ausgeführt werden, welche einen erforderlichen Induktivitäts ^¬ wert zur Kompensation von parasitären Kapazitäten C _p im Piezo- Element 3 zur Verfügung stellt. Durch den Einsatz einer sol- chen zusätzlichen Spule werden jedoch die Vorteile, welche der Entfall des Gegentakttransformators bringt, teilweise wieder vernichtet .

Daher wird die Kompensationsinduktivität 20 vorzugsweise als Gyratoreinheit 20 ausgeführt, welche in Fig. 2 dargestellt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst die

Gyratoreinheit 20 einen negativen Impedanzkonverter 22 mit zwei äußeren ohmschen Widerständen R _LP , R und einer Bezugskapazität C _LP , deren Wert der negative Impedanzkonverter 22 durch Phasenverschiebung in einen korrespondierenden Induktivitätswert umwandelt, der sich aus dem Produkt der beiden Werte der ohmschen Widerstände R _LP , R und dem Wert der Bezugskapazität C _L berechnet. Somit bildet die Gyratoreinheit 20 den erforderli ^¬ chen Induktivitätswert zur Kompensation von parasitären Kapa- zitäten C _P im Piezo-Element 3, dessen Ersatzschaltbild in Fig. 3 dargestellt ist, aus der Bezugskapazität C _LP nach.

Wie aus Fig. 4 und 5 weiter ersichtlich ist, sind die Umschalteinheiten 16, 18 jeweils als Halbleiterschaltung mit zwei Schalttransistoren Ql, QU, Q2, Q22 ausgeführt. Eine Lo ^¬ gikeinheit 14 des Schaltreglers 10 verbindet durch Umschalten der beiden Umschalteinheiten 16, 18 die Drosselspule DR1 an einem ersten Anschluss S2 mit der Versorgungsspannung U _SUP und an einem zweiten Anschluss Sl mit Masse GND, um Energie in der Drosselspule DR1 zu speichern. Die Logikeinheit 14 schaltet dann die erste Umschalteinheit 16 wieder in die Ausgangsposi ^¬ tion um, um das Piezo-Element 3 über einen ersten Ausgabean- schluss Ol und eine erste Diode Dl mit einer positiven An ^¬ steuerspannung U _s zu versorgen. Um das Piezo-Element 3 über einen zweiten Ausgabeanschluss 02 und eine zweite Diode mit einer negativen Ansteuerspannung U _s zu versorgen, schaltet die Logikeinheit 14 die zweite Umschalteinheit 18 wieder in die Ausgangsposition um.

Um die in Fig. 7 und 8 dargestellte Ansteuerspannung U _s zu erzeugen, steuert die Logikeinheit 14 zur Erzeugung eines posi- tiven Spannungsanteils der Ansteuerspannung U _s die erste Um ^¬ schalteinheit 16 mit einem ersten Taktsignal U _T i an, welches in Fig. 9 dargestellt ist. Zur Erzeugung eines negativen Spannungsanteils der Ansteuerspannung U _s steuert die Logikeinheit 14 die zweite Umschalteinheit 18 mit einem zweiten Taktsignal U _T 2 an, welches in Fig. 10 dargestellt ist. Über das Tastver ^¬ hältnis der beiden Taktsignale U _T i, U _T 2 kann die Logikeinheit 14 die Höhe der positiven oder negativen Spannungsanteile der Ansteuerspannung U _s einstellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Drosselspule DR1 mit einer wesentlich höheren Frequenz als ein vergleichbarer Gegentakttransformator getaktet. Dadurch kann für die Drosselspule DR1 ein kleinerer Kern als für den Gegentakttransforma ^¬ tor eingesetzt werden. Die Messspannung U _RS kann auf einfache Weise durch Ändern des Puls-Pausen-Verhältnisses der Ansteue- rung eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die hohe Taktfrequenz ein wesentlich kleinerer nicht dargestellter Glättungskondensator für die Spannungsversorgung 5 eingesetzt werden kann. Die Schalttransistoren Ql, QU, Q2 und Q22 zur Erzeugung der Ansteuerspannung U _s können bei einer Realisierung des Schaltreglers 10 als anwendungsspe ^¬ zifische integrierte Schaltung 12 (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit) zur besseren Kühlung außerhalb des ASICs 12 angeordnet werden. Durch den Entfall des Gegentakttransfor- mators entsteht das Problem, dass natürlich auch die Sekundärinduktivität nicht mehr vorhanden ist. Um trotzdem die Aus- schwingzeit wie bisher beizubehalten, wird erfindungsgemäß die zusätzliche Kompensationsinduktivität 20 eingesetzt.

Bei einem Einsatz in einer nicht dargestellten Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug umfasst die Spannungsversorgung 5 eine Fahrzeugbatterie, welche eine Batteriespannung U _Ba t zur Verfügung stellt aus welcher die Versorgungsspannung U _SUP für den Schaltregler 10 erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1, wel- eher ein Messsignal U _RS aussendet und in Reaktion auf das Mess ^¬ signal U _RS mindesten ein Echosignal U _RE empfängt, und eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, welche ein basierend auf dem Echosignal U _RE erzeugtes Ausgangssignal des mindestens einen Ultraschallwandler 1 zur Ob ekterkennung auswertet.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen in vorteilhafter einen Ultraschallwandler mit einem Schaltregler zur Verfügung, welcher eine Drosselspule und keinen Transformator zur Erzeugung der Wechselspannung für das Piezo-Element um- fasst. Durch die Kompensationsinduktivität können in vorteil ^¬ hafter Weise parasitäre Kapazitäten des Piezo-Elements kompen ^¬ siert werden und die Ausschwingzeiten eines Ultraschallwand ^¬ lers mit Gegentakttransformator erreicht werden.