DE102010063001A1

DE102010063001A1 - Schallwandler mit zumindest einem Piezoelement

Info

Publication number: DE102010063001A1
Application number: DE102010063001A
Authority: DE
Inventors: Marko Liebler; Martin Abele; Karl Bendel; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: FR2968820A1; GB2486560B; GB2486560A; GB201121444D0; FR2968820B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler mit zumindest einem Piezoelement und einem Befestigungselement, wobei das Befestigungselement an eine Befestigungsebene gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Befestigungselement als Federelement ausgestaltet ist und der Schallwandler ein Massenelement aufweist, wobei das Piezoelement das Befestigungselement und das Massenelement kontaktiert, wodurch ein resonantes Schwingverhalten des Schallwandlers erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler mit zumindest einem Piezoelement und einem Befestigungselement, wobei das Befestigungselement an eine Befestigungsebene gekoppelt ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Befestigungselement als Federelement ausgestaltet ist und der Schallwandler ein Massenelement aufweist, wobei das Piezoelement das Befestigungselement und das Massenelement kontaktiert, wodurch ein resonantes Schwingverhalten des Schallwandlers erzeugbar 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.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Piezoelement nicht direkt an der Befestigungsebene gekoppelt ist. Damit bildet das Piezoelement mit dem Befestigungselement und dem Massenelement eine Einheit, deren Schwingungsverhalten durch Auswahl bestimmter Elemente beeinflusst werden kann. Das Piezoelement kann von äußeren Umwelteinflüssen, wie z. B. mechanischen Belastungen, als auch der Aussetzung von Feuchtigkeit, Staub, Sprühnebel, Eis, Schnee oder dergleichen geschützt werden, da nur die schallwirksame Fläche in direkter Exposition mit der Umwelt treten muss. 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 wenig robust gegen Feuchtigkeit, Staub, Sprühnebel, Eis und Schnee oder mechanische Einwirkungen wie bereits oben beschrieben.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Massenelement eine flächenförmige schallwirksame Fläche aufweist. Hierbei kann die schallwirksame Fläche als Erhebung dreieckig, rechteckig oder kreisförmig ausgestaltet sein. Auch andere geometrische Formen sind dabei denkbar. Je nach Form der Fläche kann ein unterschiedliches Abstrahlverhalten des Schallwandlers ermöglicht werden. Die Höhe der Erhebung kann ebenfalls variabel gestaltet werden, wodurch die schallwirksame Fläche von dem Befestigungselement absetzbar ist. Dieses bietet den Vorteil, dass eine Schutzblende zum Einsatz kommen kann, die eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung komplementär zu der Form der schallwirksamen Fläche ausgestaltet sein kann. Dadurch kann das Piezoelement geschützt werden und es ist eine Entkopplung des Piezoelementes mit der schallwirksamen Fläche möglich, so dass störende Umwelteinflüsse nur direkt mit der schallwirksamen Fläche in Berührung kommen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Massenelement und Befestigungselement stabförmig anordbar sind. Dabei können das Massenelement und das Befestigungselement den gleichen Querschnitt als auch die gleiche geometrische Form, insbesondere kreis- oder rechteckförmig, aufweisen. Auch sind andere beliebige geometrische Formen denkbar. Zudem ermöglicht der stabförmige Aufbau, dass bei einer Anordnung mehrerer Schallwandler, deren schallwirksamen Flächen direkt nebeneinander angeordnet werden können. Auch kann die gesamte Anordnung des Massenelementes und des Befestigungselementes als Kegelstumpf ausgebildet sein. Ebenfalls kann das Piezoelement zwischen dem Befestigungselement und dem Massenelement angeordnet werden. Die dritte Dimension des stabförmigen Schallwandlers ist dabei deutlich länger, so dass sich im Zusammenwirken mit der steifen Befestigungsebene ein resonantes Schwingungsverhalten einstellen lässt. Kommen mehrere Schallwandler nebeneinander zum Einsatz, wodurch ein Linienarray entstehen kann, ist es vorteilhaft, dass die Breite eines Piezoelementes nicht größer als die des Befestigungselementes ist. Dadurch können die Ultraschallwandler direkt aneinander gekoppelt werden, so dass technische 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 ebenfalls Befestigungselemente zur Befestigung an eine biegesteife Befestigungsebene geeigneter Abmessungen zum Einsatz kommen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Querschnitt des Befestigungselementes lokal verkleinert ist, wodurch eine Einschnürung entsteht. Dadurch kann das Befestigungselement als Federelement ausgebildet werden. Bei Ankopplung des Befestigungselementes an die Befestigungsebene, welche beigesteif ausgeführt sein kann, kann in Zusammenspiel mit dem Massenelement ein resonantes Schwingungsverhalten geschaffen werden. Die Ausbildung des Befestigungselementes als Federelement kann ebenfalls durch Auswahl eines weniger steifen Materials, insbesondere eines Kunststoffes, erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die schallwirksame Fläche eben oder gekrümmt ist oder eine beliebige 2-dimensionale Struktur hat. Damit können die Abstrahlcharakteristika des Schallwandlers vordefiniert beeinflusst werden. Bei Einsatz von mehreren Schallwandlern kann damit beispielsweise eine Richtwirkung geschaffen werden. Auch sind aufgeraute oder mit einem Profit versehene schallwirksame Flächen denkbar, wodurch die Abstrahlcharakteristik des Schallwandlers ebenfalls veränderbar ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Befestigungselement eine Fläche bzw. Geometrie aufweist, die komplementär zur Befestigungsebene ausgebildet ist. Damit kann z. B. ein Nut-Feder-System zur Anwendung kommen, wobei die Befestigungsebene eine Nut aufweist und das Befestigungselement eine Feder, die komplementär zu der Nut ausgebildet ist. Dadurch kann vor dem eigentlichen endgültigen Verbindungsvorgang, z. B. durch ein Kleb- oder Schweißverfahren, das Befestigungselement an der Befestigungsebene fixiert werden. Auch kann das Befestigungselement eine Bohrung aufweisen und die Befestigungsebene dazu komplementär ausgebildete Stifte, wodurch sich ebenfalls eine Fixierung des Befestigungselementes mit der Befestigungsebene erreichen lässt.
Es ist vorteilhaft, dass das Massenelement und/oder das Befestigungselement Metall, insbesondere Leichtmetall, Keramik oder Kunststoff aufweisen. Dadurch kann den Anforderungen entsprechend das Schwingungsverhalten der schallwirksamen Fläche geändert werden. Ferner ist auch eine vereinfachte Herstellung beider Elemente, des Massenelementes als auch der des Befestigungselementes, erreichbar. Außerdem kann dadurch das Schwingungsverhalten je nach verwendetem Material beeinflusst werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Befestigungselement und das Massenelement materialeinheitlich oder materialunterschiedlich herstellbar sind. Damit können verschiedene Schwingungsverhalten durch die unterschiedliche Nutzung von verschiedenen Materialien ermöglicht werden. Sofern das Befestigungselement und das Massenelement materialeinheitlich ausgestaltet sind, ist eine kostengünstige und einfache Fertigung möglich. Durch eine materialunterschiedliche Ausgestaltung von Befestigungselement und Massenelement lässt sich das Schwingungsverhalten des Schallwandlers einfach und definiert durch die Materialauswahl beeinflussen. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Massenelement und das Befestigungselement einstückig ausgeführt sind. Das Befestigungselement kann dann durch ein Klebe- oder Schweißverfahren an die Befestigungsebene angebracht werden.
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 sicher gestellt. Damit können resonant arbeitende Luftschallwandler mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 48 KHz bereitgestellt werden, die sowohl für ein Array-Anordnung 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, und die Luftabsorption noch nicht allzu groß ist, wobei Tiere kaum gestört werden.
In der Array-Anordnung kann der erfindungsgemäße Schallwandler aus Metallen, Keramik oder Kunststoff zusammen mit einem, zwei oder mehr Piezoelementen gefertigt werden. Durch die gewählten Materialien und einhaltbaren Mindestabmessungen sind diese Wanderelemente robust gegen mechanische und andere Umwelteinwirkungen. Dabei können zwei Piezoelemente derart kombiniert werden, dass der Schallwandler im Vergleich zu Schallwandlern mit einem Piezoelement besondere Eigenschaften erhält, die einzeln oder in Kombination nutzbar sind. Diese zeichnen sich durch eine erhöhte Effektivität der Schallabstrahlung bzw. 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.
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:
1 eine schematische Ansicht eines stabförmigen Schallwandlers,
2 eine schematische Ansicht eines stabförmigen Schallwandlers auf einer Befestigungsebene und
3 eine schematische Ansicht eines Schallwandlers mit einer als Erhebung ausgebildeten schallwirksamen Fläche.
In 1 ist eine schematisch ein erfindungsgemäßer, stabförmiger Schallwandler 1 in einer fast horizontal liegenden Position dargestellt. Dabei ist das Befestigungselement 12 in der Mitte durch eine Einschnürung 12.1 lokal verkleinert. Der stabförmige Wandler 1 weist dabei ein Massenelement 14 auf, wobei zwischen dem Befestigungselement 12 und dem Massenelement 14 ein scheibenförmiges Piezoelement 10 angeordnet ist, wobei in dem zuvor erwähnten Verbindungsbereich der Querschnitt über die Höhe gleichbleibend ist. Der Schallwandler 1 wird an der nicht sichtbaren Unterseite des Befestigungselements 12 mit einer nicht dargestellten Befestigungsfläche 20 verbunden. Das Massenelement 14 weist ferner eine schallwirksame Fläche 16 auf, die die Oberseite des stabförmigen Schallwandlers 1 bildet. Bei dem gezeigten Schallwandler 1 ist die Höhe des Befestigungselements 12 fast doppelt so hoch als die Höhe des Massenelements 14. Der gesamte Schallwandler 1 weist über seine komplette Höhe einen rechteckförmigen Querschnitt auf.
In 2 ist ein stabförmiger Schallwandler 1 dargestellt, der mit seinem Befestigungselement 12 an eine Befestigungsfläche 20 gekoppelt bzw. mit dieser verbunden ist. Der quaderförmige Schallwandler 1 weist dabei ein Massenelement 14 auf, wobei zwischen dem Massenelement 14 und dem Befestigungselement 12 ein scheibenförmiges Piezoelement 10 angeordnet ist. Der gesamte Querschnitt des Schallwandlers 1 ist über seine Höhe geometrisch gleichbleibend ausgestaltet. Das Befestigungselement 12 weist folglich keine Verjüngung auf. Für das Befestigungselement 12 kann ein weniger steifes Material als das der Befestigungsfläche 20 gewählt werden, so dass an dieser Stelle das Befestigungselement 12 als nachgiebiges Federelement ausgebildet ist. Es können z. B. zu diesem Zweck weniger biegesteife Kunststoffe in Betracht kommen.
In 3 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Schallwandler 1 dargestellt, wobei das Massenelement 14 mit einer als Erhebung ausgebildeten schallwirksamen Fläche 16 ausgestaltet ist. Diese Erhebung ist kreisförmig ausgebildet, so dass auch die schallwirksame Fläche 16 kreisförmig ausgebildet ist. Das Befestigungselement 12 ist mit seiner Unterseite an der Befestigungsebene 20 befestigt. Das flache, quaderförmige Piezoelement 10 kontaktiert seitlich das Massenelement 14 und das Befestigungselement 12. Anders als in den beiden zuvor genannten Ausführungsbeispielen aus den 1 und 2 ist das Piezoelement 10 jedoch nicht zwischen den beiden Elementen 12 und 14 angeordnet. Vielmehr ist das Massenelement 14 direkt mit dem Befestigungselement 12 verbunden. Das quaderförmige Piezoelement 10 ist seitlich flächensymmetrisch mit den beiden Elementen 12 und 14 verbunden. Eine vom Piezoelement 10 ausgehende Verformung wird somit von dem Massenelement 14 auf die schallwirksame Fläche 16 übertragen und von dort in eine Schallwelle umgewandelt. Es ist auch denkbar, dass der Querschnitt des Befestigungselementes 12 lokal verkleinerbar ist, wodurch eine Einschnürung 12.1 erzeugbar ist. Dadurch lässt sich das Befestigungselement 12 als Federelement gestalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1791192 B1 [0002]

Claims

Schallwandler (1) mit zumindest einem Piezoelement (10) und einem Befestigungselement (12), wobei das Befestigungselement (12) an eine Befestigungsebene (20) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (12) als Federelement ausgestaltet ist und der Schallwandler (1) ein Massenelement (14) aufweist, wobei das Piezoelement (10) das Befestigungselement (12) und das Massenelement (14) kontaktiert, wodurch ein resonantes Schwingverhalten des Schallwandlers (1) erzeugbar ist.
Schallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass Massenelement eine flächenförmige schallwirksame Fläche (16) aufweist.
Schallwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schallwirksame Fläche (16) als Erhebung dreieckig, rechteckig oder kreisförmig ausgestaltet ist.
Schallwandler (1) nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Massenelement (14) und das Befestigungselement (12) stabförmig anordbar sind.
Schallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Befestigungselementes (14) lokal verkleinert ist.
Schallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsebene (20) eben oder gekrümmt ist oder eine beliebige 2-dimensionale Struktur hat.
Schallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Befestigungselement (12) eine Fläche aufweist, die komplementär zur Befestigungsebene (20) ausgebildet ist.
Schallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (12) und das Befestigungselement (12) materialeinheitlich oder materialunterschiedlich ausgestaltet sind.
Schallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenelement (14) und/oder das Befestigungselement (12) aus Metall, Keramik oder Kunststoff sind.
Array-Anordnung (2) mit mindestens zwei Schallwandlern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Schallwandler (1) weniger als die halbe über die flächenförmige schallwirksame Fläche (16) emittierbare Luftschallwellenlänge beträgt, wodurch ein dynamisch veränderbares Ultraschallbündel erzeugbar ist.