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Die Erfindung betrifft einen Schallwandler mit zumindest einem Piezoelement, wobei das Piezoelement an einem Trägerelement gekoppelt ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Aus der Druckschrift
EP 1 791 192 B1 ist ein Schallwandler mit mindestens einem streifen- oder plattenförmigen Biegewandlerelement bekannt, das einseitig mit einem piezoelektrischen Körper belegt ist und einen piezoelektrisch inaktiven mehrschichtigen Basiskörper aufweist. Dabei ist der Basiskörper als Tragelement für einen einseitig daran angebrachten piezoelektrischen Körper ausgestaltet. Sowohl das Tragelement als auch der Basiskörper können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass ein Schallwandler mit einem solchen Aufbau wenig robust gegen Feuchtigkeit, Staub, Sprühnebel, Eis, Schnee oder mechanische Einwirkungen ist, da der piezoelektrische Körper direkt an dem Basiskörper gekoppelt ist. Damit ist eine Montage des Schallwandlers im Außenbereich beispielsweise für Kraftfahrzeuge oder Roboter mit einer direkten Exposition von Umwelteinflüssen nicht für eine dauerhafte zuverlässige Funktion geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Schallwandler zu schaffen, der bedingt durch seinen Aufbau bei einem Einsatz im Außenbereich, zum Beispiel bei Anbringung im Außenbereich eines Kraftfahrzeuges, eine dauerhafte, sichere und hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Schallwandler gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen, insbesondere mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trägerelement eine Fläche aufweist, wobei die Fläche schallwirksam ausgebildet ist und das Trägerelement wenigstens ein Befestigungselement aufweist, wodurch das Trägerelement von einer Befestigungsebene beabstandet anordbar ist. Der erfindungsgemäße Schallwandler kann dabei sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger dienen. Durch das Piezoelement werden elektrische Spannungen in mechanische Verformungen umwandelt und umgekehrt. Diese mechanischen Verformungen werden von dem Schallwandler wieder als Schallwellen abgegeben bzw. umgekehrt empfangen.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Piezoelement nicht direkt an der Befestigungsebene gekoppelt ist. Damit bildet das Piezoelement mit dem Trägerelement, das eine schallwirksame Fläche aufweist, eine Einheit, deren Schwingungsverhalten nicht durch die Befestigungsebene bestimmt wird. Durch diesen Aufbau kann das Piezoelement wirksam vor mechanischen Belastungen und/oder äußeren Umwelteinflüssen wie z. B. Feuchtigkeit, Staub, Eis, Schnee oder dergleichen geschützt werden. Zudem bietet dieser Aufbau den Vorteil, dass zumindest zwei Schallwandler derart angeordnet werden können, dass der Abstand zwischen ihnen weniger als die halbe Luftschallwellenlänge beträgt. Man spricht dann von einer Array-Anordnung, die erweiterte Möglichkeiten in der Signalverarbeitung bieten kann. Für eine Ultraschallfrequenz von beispielsweise 50 KHz beträgt die Luftschallwellenlänge circa 7 mm. Das heißt die Schallwandler dürfen maximal circa 3,5 mm voneinander entfernt sein. Dieser Maximalabstand begrenzt die Größe der Schallwandler, wobei diese durch den erfindungsgemäßen Aufbau herstellbar sind. Aufgrund der Größenbegrenzung für Array-Wandler werden heute für Luftultraschall-Arrays überwiegend. MEMS-Elemente eingesetzt. Derartige MEMS-Elemente sind allerdings nur wenig. geeignet bei Feuchtigkeit, Staub, Sprühnebel, Eis und Schnee oder mechanische Einwirkungen wie bereits oben beschrieben.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Fläche eine schallwirksame, flächenförmige Erhebung aufweist. Hierbei können verschiedene geometrische Formen, wie zum Beispiel dreieckige, rechteckige oder kreisförmige Flächen zum Einsatz kommen. Je nach Form der Fläche kann somit ein unterschiedliches Abstrahlverhalten des Schallwandlers ermöglicht werden. Auch sind aufgeraute oder mit einem Profil versehene Flächen denkbar, wodurch die Schall-Abstrahlcharakteristik des Schallwandlers änderbar ist. Die Höhe der Erhebung kann ebenfalls variabel gestaltet werden, wodurch die schallwirksame Fläche von dem Trägerelement geometrisch absetzbar ist. Dieses bietet den Vorteil, dass eine Schutzblende zum Einsatz kommen kann die eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung die Form der schallwirksamen Fläche aufweist, wodurch die schallwirksame Fläche geführt werden kann. Damit ist eine Entkopplung des Piezoelementes mit der schallwirksamen Fläche möglich, so dass störende Umwelteinflüsse nur direkt mit der schallwirksamen Fläche in Berührung kommen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Befestigungselement und das Trägerelement materialeinheitlich oder materialunterschiedlich herstellbar sind. Damit können verschiedene Schwingungsverhalten durch die unterschiedliche Nutzung von verschiedenen Materialien ermöglicht werden. Sofern das Befestigungselement und das Trägerelement materialeinheitlich ausgestaltet sind, ist eine kostengünstige und einfache Fertigung möglich. Durch eine materialunterschiedliche Ausgestaltung von Befestigungselement und Trägerelement lässt sich das Schwingungsverhalten des Schallwandlers einfach und definiert durch die Materialauswahl beeinflussen. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Befestigungsebene mit den Trägerelementen einstückig ausgeführt ist. Das Trägerelement kann dann durch ein Kleb- oder Schweißverfahren an das Befestigungselement angebracht werden. Auch ist es ebenfalls denkbar, dass das Trägerelement, das Befestigungselement und die Befestigungsebene einstückig und materialeinheitlich ausgeführt sind. Damit können verschiedene Materialien zum Einsatz kommen. Es ist vorteilhaft, dass das Befestigungselement und/oder das Trägerelement Materialien enthalten, wie z. B. Metall, insbesondere Leichtmetall wie Aluminium, Keramik oder Kunststoff. Dadurch kann den Anforderungen entsprechend das Schwingungsverhalten der schallwirksamen Fläche geändert werden.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Befestigungselement in einem rechten Winkel an dem Trägerelement anordbar ist. Dadurch kann der Gesamtaufbau vereinfacht werden. Auch die Nutzung eines U-förmigen Befestigungselementes ist dabei vorstellbar. Eine Anbringung des Befestigungselementes an die Befestigungsebene kann dabei über ein Schweiß- oder Klebeverfahren geschehen. Auch eine Schraubverbindung, die das Befestigungselement an die Befestigungsebene fixiert, ist dabei denkbar. Durch die U-förmige Ausbildung, kann das Piezoelement in der Innenseite der U-förmigen Ausbildung angebracht werden, so dass das Piezoelement durch das Befestigungselement schätzbar ist. Auch andere Formen sind denkbar, wobei zwei oder mehrere U-förmige Befestigungselemente einheitlich zu einem Befestigungselement ausbildbar sind.
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Es ist vorteilhaft, dass die flächenförmige schallwirksame Erhebung und das Trägerelement materialeinheitlich ausgestaltet sind. Dadurch kann eine vereinfachte Herstellung beider Elemente, der flächenförmigen schallbar wirksamen Erhebung als auch der des Trägerelementes, ermöglich werden. Dieser Aufbau kann dabei die Herstellungskosten des Gesamtaufbaus deutlich reduzieren. Außerdem kann dadurch das Schwingungsverhalten je nach Material beeinflusst werden.
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Zudem ist es vorteilhaft, dass das Piezoelement an dem Befestigungselement anbringbar ist. Dadurch ergeben sich mehrere Möglichkeiten, zur Variation des Schwingungsverhaltens. Das Piezoelement kann bei einem U-förmigen Befestigungselement auch an der Seitenfläche angebracht werden. Kommen mehrere Schallwandler nebeneinander zum Einsatz, wodurch ein Linienarray entstehen kann, ist es vorteilhaft, dass die Breite des Piezoelementes nicht größer als die des Befestigungselementes ist. Dadurch können die Ultraschallwandler direkt aneinander gekoppelt werden, so dass Realisierungen möglich sind, die in ihrer Dimension kleiner oder gleich als die halbe Luftschallwellenlänge sein können. Die Begrenzung der schallwirksamen Fläche in eine zweite Dimension ermöglicht die Verwendung von Linienarrays oder Linienarrays mit Zusatzelementen. Dabei können die Befestigungselemente auf eine Befestigungsebene angebracht werden, die biegesteif ausgeführt ist. Die Dimension der Befestigungsebene kann dabei der Fläche, die zur Befestigung des Befestigungselementes an die Befestigungsebene verwendbar ist, entsprechen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht in einer Array-Anordnung mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Schallwandlern, wobei der Abstand der Schallwandler weniger als die halbe über die flächenförmige schallwirksame Erhebung imitierbare Luftschallwellenlänge beträgt, wodurch ein dynamisch verändertes Ultraschallbündel erzeugbar ist. Damit kann im Sendebetrieb ein großer Schalldruckpegel erzeugt werden. Im Empfangsbetrieb ist dadurch eine hohe Schallempfindlichkeit gesichert. Damit können resonant arbeitende Luftschallwandler mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 48 KHz bereitgestellt werden, die sowohl für ein Array geeignet sind, als auch besonders robust gegen äußere Umwelteinflüsse sind. Die Arbeitsfrequenz von 48 KHz ist besonders für die ultraschallbasierte Umfeldsensierung geeignet, da die Frequenzlage oberhalb typischer Störschallquellen liegt, die Luftabsorption noch nicht allzu groß ist und Tiere kaum gestört werden.
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Der erfindungsgemäße Schallwandler kann aus Metallen, Keramik oder Kunststoff zusammen mit einem, zwei oder mehr Piezoelementen gefertigt werden. Durch die gewählten Materialien und einhaltbaren Mindestabmessungen sind diese Wandlerelemente robust gegen mechanische und andere Umwelteinwirkungen. Dabei können zwei Piezoelemente derart kombiniert werden, dass der Schallwandler im Vergleich zu Schallwandlern mit nur einem Piezoelement besondere zusätzliche Eigenschaften erhält, die einzeln oder in Kombination nutzbar sind. Diese zeichnen sich durch eine erhöhte Effektivität der Schallabstrahlung beziehungsweise erhöhte Empfindlichkeit beim Schallempfang aus. Ebenso ist eine schnelle Umschaltung zwischen dem Sende- und Empfangsbetrieb ermöglicht. Des Weiteren ist eine Eigendiagnostik der schwingungsmechanischen Eigenschaften ebenfalls möglich.
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Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers, der U-förmig ausgebildet ist,
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2 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers mit einer schallwirksamen flächenförmigen Erhebung,
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3 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers mit einem Piezoelement, welches seitlich an einem Befestigungselement angebracht ist,
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4 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers wobei mehrere Piezoelemente jeweils an den Befestigungselementen und dem Trägerelement angeordnet sind,
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5 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers wobei eine nicht symmetrische Ausgestaltung des Befestigungselementes als auch des Trägerelementes gewählt worden ist und
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6 eine schematische Ansicht einer Array-Anordnung von zwei Schallwandlern.
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schall wandlers 1 dargestellt. Dabei ist das Trägerelement 12 mit seinen beiden Befestigungselementen 20 U-förmig ausgebildet. Das Trägerelement 12 weist eine schallwirksame Fläche 13 auf, wobei die gesamte Fläche des Trägerelementes 12 als schallwirksame Fläche 13 fungiert. Die Breite 16 des Trägerelementes 12 entspricht dabei exakt der Breite 22 des Befestigungselementes 20. Ein Piezoelement 10 ist auf der entgegengesetzten Seite der schallwirksamen Fläche 13 unterhalb des Trägerelementes 12 unlösbar angebracht. Die Befestigungselemente 20 sind dabei mechanisch und/oder stoffschlüssig an eine Befestigungsebene 30 gekoppelt. Das Piezoelement 10 kann dabei an dem Trägerelement 12 angeklebt oder angeschweißt sein. Das Gleiche gilt für die Befestigungen der Trägerelemente 20 an die Befestigungsebene 30, wobei hier ebenfalls ein Schraubverfahren zum Einsatz kommen kann, in dem die Befestigungselemente 20 an die Befestigungsebene 30 anschraubbar sind. Das Trägerelement 12 ist in der 1 materialeinheitlich und einteilig zu den beiden Befestigungselementen 20 ausgebildet.
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In 2 ist schematisch ein weiterer Schallwandler 1 dargestellt, wobei das Trägerelement 12 eine flächenförmige Erhebung 14 aufweist, die als schallwirksame Fläche 13 dient. Diese flächenförmige Erhebung 14 kann in verschiedenen geometrischen Formen, insbesondere einer kreis-, dreieck- oder rechteckigen Form ausgeführt sein und materialeinheitlich zum Trägerelement 12 sein. Ansonsten weist der Schallwandler 1 aus 2 keine technischen Unterschiede zum bereits beschriebenen Schallwandler 1 aus 1 auf. Auch ist im vorliegenden Fall die Breite 22 der beiden Befestigungselemente 20 gleich der Breite 16 des Trägerelementes 12, wobei die Befestigungselemente 20 jeweils mit der Befestigungsebene 30 gekoppelt sind und der Schallwandler 1 insgesamt eine U-förmige Form aufweist.
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In 3 ist schematisch ein weiterer Schallwandler 1 mit nur einem Piezoelement 10 dargestellt, wobei dieser Schallwandler 1 im Wesentlichen quaderförmig aufgebaut ist, bis auf die herausragende flächenförmige Erhebung 14, die als schallwirksame Fläche 13 dient. Auch diese flächenförmige Erhebung 14 kann in verschiedenen geometrischen Formen, insbesondere einer kreis-, dreieck- oder rechteckigen Form ausgeführt sein. In dem quaderförmigen Schallwandler 1 ist eine ebenfalls im Wesentlichen quaderförmige Ausnehmung. 24 vorgesehen. Zur Befestigung des Schallwandlers 1 dient das im Wesentlichen U-förmig ausgestaltete Befestigungselement 20, welches mit seinem unteren Querbalken des „U” großflächig über die gesamte Breite 22 und Länge des Schallwandlers 1 mit der Befestigungsebene 30 verbunden ist. Die beiden vertikalen Schenkel des U-förmigen Befestigungselements 20 sind geometrisch gleich ausgestaltet und halten an ihren oberen Enden das horizontal verlaufende, balkenförmige Trägerelement 12. Das schwingungserzeugende Piezoelement 10 ist außen einseitig an einem Schenkel des U-förmigen Befestigungselements 20 angeordnet. Das horizontal verlaufende balkenförmige Trägerelement 12 ist selbst flach (Höhe des balkenförmigen Trägerelements 12) aufgebaut, um das Schwingungsverhalten zu verbessern. Dabei entspricht die Höhe des balkenförmigen Trägerelements 12 ungefähr der halben Breite 22 des Befestigungselements 20 bzw. der halben Breite 16 des Trägerelements 12. Das Trägerelement 12 ist durch das U-förmige Befestigungselement 20 deutlich über der Befestigungsebene 30 beabstandet angeordnet, wobei der entsprechende Abstand zwischen der Befestigungsebene 30 und dem Trägerelement 12 ungefähr der Länge des Trägerelements 12 entspricht. Folglich ist auch ein Längsschnitt durch den Schallwandler 1 von seinem äußeren Umfang quadratisch ausgestaltet.
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In 4 ist schematisch ein Schallwandler 1 dargestellt(ähnlich zur 1), wobei mehrere Piezoelemente 10 jeweils an den Befestigungselementen 20 und dem Trägerelement 12 angeordnet sind. Dabei ist jeweils ein Piezoelement 10 außen seitlich an den Schenkeln des U-förmigen Befestigungselementes 20 angeordnet, wobei optional ein drittes Piezoelement 10 unterhalb des Trägerelementes 12 an der entgegengesetzten Fläche zur rechteckförmige Erhebung 14 in der Ausnehmung 24 angebracht sein kann. Die rechteckförmige Erhebung 14 ist mittig an der Oberseite des Trägerelements 12 vorgesehen ist. Die Breite 16 des Trägerelementes 12 ist gleich der Breite 22 des Befestigungselementes 20.
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In 5 ist eine schematische nicht symmetrische Ausgestaltung eines Schallwandlers 1 dargestellt, der ebenfalls quaderförmig ausgestaltet ist (wie in 3 u. 4), wobei jedoch die entsprechende quaderförmige Ausnehmung 24 asymmetrisch in Höhe und Länge zur Grundform angeordnet ist. Mittig über der quaderförmigen Ausnehmung 24 ist die quaderförmige Erhebung 14 an der Oberseite des Trägerelementes 12 angeordnet. Die beiden Schenkel des U-förmigen Befestigungselementes 20 weisen verschiedene Dicken auf. Der dünnere Schenkel des Befestigungselementes 20 weist dabei zwei Piezoelemente 10 auf, die jeweils seitlich am Schenkel des Befestigungselementes 20 angebracht sind und zwar an einer Innenseite in der quaderförmigen Ausnehmung 24 und an einer entgegengesetzten Außenseite. Dabei entspricht die Breite der Piezoelemente 10 der Breite 16 des Trägerelementes 12. Die Länge der Piezoelemente 10 entspricht im Wesentlichen der Länge bzw. Höhe der Innenseite des Schenkel vom Befestigungselement 20. Der Einsatz von mehreren Piezoelementen 10 ermöglicht es, eine vordefinierte Schwingungsschaltcharakteristik festzulegen. Die Breite 16 des Trägerelementes 12 ist auch im vorliegenden Fall gleich der Breite 22 des Befestigungselementes 20.
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In der 6 ist eine Array-Anordnung 2 mit zwei Schallwandlern 1 schematisch gezeigt, die parallel zueinander an einer nicht dargestellten Befestigungsebene 30 befestigt sind. Zwischen zwei benachbarten Schallwandlern 1 der Array-Anordnung 2 ist ein (Luft-)Spalt vorgesehen, damit eine gegenseitige Beeinflussung der beiden entsprechenden Schallwandler 1 möglichst gering ist. Es versteht sich von selbst, dass die Array-Anordnung 2 sowohl in der Länge als auch in der Breite durch weitere benachbarte Schallwandler 1 ergänzt werden kann, die jeweils einzeln ansteuerbar sind. Die beiden exemplarisch dargestellten Schallwandler 1 weisen an ihren Trägerelementen 12 eine schallwirksame Erhebung 14 auf und entsprechen im Wesentlichen dem in 4 gezeigten Schallwandler 4, wobei auf das dritte Piezoelement 10 an der Innenseite des Trägerelements 13 verzichtet wird. An beiden Außenseiten der Schenkel des Befestigungselementes 20 ist jeweils ein Piezoelement 10 angeordnet. Durch diese Array-Anordnung 2 ist ein dynamisch veränderbares Ultraschallbündel erzeugbar. Selbstverständlich kann die vorliegende Array-Anordnung 2 auch durch die bereits offenbarten Schallwandler 1 gebildet werden. Auch ist eine gemischte Anordnung von unterschiedlich ausgestalteten Schallwandlern 1 in einer Array-Anordnung 2 denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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