DE102015213813A1

DE102015213813A1 - Elektro-Akustik-Wandler mit Wegaddition abseits der Schallrichtung

Info

Publication number: DE102015213813A1
Application number: DE102015213813.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Karl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-01-26
Also published as: CN107847980A; CN107847980B; EP3325179A1; WO2017012787A1

Abstract

Es wird ein Elektro-Akustik-Wandler (1) zur Umfelddetektion in einem Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Der Elektro-Akustik-Wandler umfasst eine Membran (4), und einen ersten Motor (3), wobei die Membran (4) eingerichtet ist, in einer Vorzugsrichtung (P1) zu schwingen und der Motor (3) einen Stapel jeweils separat kontaktierter Elementarmotoren aufweist, welche eingerichtet sind, im Ansprechen auf ein auf die Membran (4) einfallendes Schallsignal und/oder ein an den ersten Motor (3) angelegtes elektrisches Signal eine Längenänderung des Stapels in einer Antriebsrichtung (P2) zu bewirken, wobei die Antriebsrichtung (P2) ungleich der Vorzugsrichtung (P1) orientiert ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektro-Akustik-Wandler zur Umfelddetektion in einem Fortbewegungsmittel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Ankopplung eines Motors an eine Membran zur Erhöhung der abgestrahlten Schallleistung.
Im Stand der Technik sind "Dickenschwinger", die mittels eines Stapels (Englisch "Stack") gegen eine schallabstrahlende Fläche ("Membran") arbeiten, bekannt. Den bekannten Ansätzen ist dabei gemeinsam, dass stets eine vergleichsweise hohe Masse bewegt (in Schwingung versetzt bzw. beschleunigt) werden muss. Die zu beschleunigende Masse bestimmt die Resonanzfrequenz maßgeblich mit und ein hoher Wirkungsgrad kann nur bei in Resonanz befindlichen Systemen erreicht werden.
Weiter ist bekannt, dass sich die mechanische Auslenkung von Elektro-Akustik-Wandlern, wie z. B. einer Piezo-Keramik, bei mechanischer Reihenanordnung addiert. Ein Beispiel hierfür ist der sogenannte Piezo-Stack (mehrere hauchdünne, jeweils voneinander durch Elektroden getrennte Piezo-Elemente, welche in einer gemeinsamen Richtung hintereinander gestapelt sind).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Elektro-Akustik-Wandlers zu erhöhen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in Schallabstrahlungsrichtung schwingende Masse eines Elektro-Akustik-Wandlers zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektro-Akustik-Wandler mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Der Elektro-Akustik-Wandler dient der Umfelddetektion in einem Fortbewegungsmittel und kann hierzu bspw. als Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger oder als Ultraschallsendeempfänger ausgestaltet sein. Er umfasst eine Membran, welche in einer Vorzugsrichtung entsprechend der Hauptabstrahlrichtung ausgesandter Schallsignale zu schwingen eingerichtet ist. Ein erster Motor (je nach Wirkrichtung auch als „Generator“ oder „Akustoelektrischer Wandler“ zu bezeichnen) ist vorgesehen, die Membran zu Schwingungen anzuregen bzw. durch Schall induzierte Kräfte in elektrische Signale zu wandeln. Der Motor weist einen Stapel jeweils separat kontaktierter Elementarmotoren auf, wobei der Stapel in eine Antriebsrichtung gestapelt ist, welche ungleich der Vorzugsrichtung orientiert ist. Mit anderen Worten werden beim Aussenden von Schallsignalen zunächst elektrische Wechselsignale in Längenänderungen des Stapels entlang der Antriebsrichtung bewirkt, welche schließlich zu einer Auslenkung der Membran in der besagten Vorzugsrichtung führen. Umgekehrt werden auf die Membran einfallende Schallsignale zu einer Membranschwingung in Vorzugsrichtung umgewandelt, wobei die Membranschwingung in eine Längenänderung des Stapels des Motors in der Antriebsrichtung führen. Auf diese Weise ist der Hub des Motors bzw. des Stapels grundsätzlich unabhängig vom Betrag des Hubs der Membran in Vorzugsrichtung. Die innerhalb des Motors schwingende akustische Masse ist somit bezogen auf den Hub der Membran entsprechend dem Übersetzungsverhältnis reduziert, sofern der Hub der Membran größer als der entsprechende Hub des Stapels in Antriebsrichtung ist. Dies ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad bei der Schallwandlung sowie eine größere Freiheit bei der Wahl der Resonanzfrequenz des Elektro-Akustik-Wandlers.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der erste Motor kann bspw. über einen Hebel mit der Membran gekoppelt sein. Der Hebel kann bspw. als zumindest anteilig in Vorzugsrichtung von der Membran hervorstehendes Element ausgestaltet sein, dessen distales Ende vom Motor in Antriebsrichtung bewegt wird. Die Verdrehung des Hebels um seinen Ankerpunkt (z.B. an der Membran und/oder am Gehäuse) bewirkt nun eine Auslenkung der Membran in Vorzugsrichtung.
Der erste Motor kann an einer Aufhängung der Membran angeordnet sein. Die Aufhängung der Membran kann als Vermittlungsstück (z.B. umfassend eine Sicke) ausgestaltet sein, welches zur Vermittlung der Bewegung der Membran gegenüber einem feststehenden Gehäuse des Elektro-Akustik-Wandlers vorgesehen ist. Die Aufhängung kann mittels des ersten Motors bspw. hinsichtlich ihrer Länge verändert werden, sodass sich die Aufhängung zwischen dem feststehenden Teil des Elektro-Akustik-Wandlers und der Membran verstemmt und somit ein Heben bzw. Senken der Membran in Vorzugsrichtung bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann der Motor für eine Biegung der Aufhängung sorgen, wodurch die Membran wiederum angehoben bzw. abgesenkt wird.
Die Aufhängung kann einen Winkel ungleich 0° bzw. 90° bzw. 180° bezüglich der Haupterstreckungsrichtung der Membran aufweisen und die Membran insbesondere anteilig umgeben bzw. einfassen. Verändert sich die Länge der Aufhängung, verändert sich auch der Abstand zwischen einem Ankerpunkt des Motors am Gehäuse des Elektro-Akustik-Wandlers einerseits und der Membran andererseits. Eine Anregung des Motors mit einem periodischen Signal führt somit zu einer wiederholten Auslenkung der Membran, welche einen Betrag aufweist, der größer als der Betrag der korrespondierenden Längenänderung des Motors ist. Der Winkelbereich, welcher sich zwischen einer Flächennormalen der Aufhängung und einer Flächennormalen der Membran ergibt, kann bspw. zwischen 5° und 45°, bevorzugt zwischen 10° und 35° liegen. Die Betriebssicherheit und die Wirkungsgradverbesserung sind in den vorgenannten Bereichen besonders hoch.
Der erste Motor kann bspw. eine Ringscheibenform aufweisen, welche insbesondere geeignet ist, eine kreisscheibenförmige Membran in ihrer Mitte aufzunehmen. Die Elementarmotoren des ersten Motors können bspw. Piezo-Ringe bilden, welche einen in Richtung der Membran abnehmenden Durchmesser aufweisen. Zwischen den einzelnen Piezo-Ringen erfolgt die elektrische Kontaktierung und Anregung bzw. beim Empfang die Signalabnahme. Ein solcher Motor kann bspw. als Stack-Ring oder Stack-Rohr gefertigt werden, der bzw. das anschließend in Scheiben geschnitten wird. Bspw. können die Elementarmotoren auf eine Mantelfläche eines Trägerzylinders aufgebracht werden, sodass sich ein Hohlstab ergibt, nachdem der Trägerzylinder entfernt wurde. Der Hohlzylinder kann anschließend oder bereits vor dem Entfernen des Trägerzylinders in Scheiben geschnitten werden, wodurch sich die optional zylindrische Form für den Motor ergibt.
Die Membran kann bspw. aus Metall (z. B. Aluminium) oder aus Kunststoff (insbesondere ein Faserverbundwerkstoff) hergestellt sein.
Während die Elementarmotoren zum Zwecke des Aussendens jeweils mit einer möglichst hohen elektrischen Spannung zu beaufschlagen sind, um einen maximalen Hub zu erzeugen, erfolgt der Empfang der Schallsignale bevorzugt mittels einer Reihenschaltung der Elementarmotoren, um die abgegriffene Signalspannung zu vergrößern. In Abhängigkeit der tatsächlichen Anordnung kann somit auf einen Transformator verzichtet werden, da der Empfindlichkeitsbereich der nachfolgenden Auswerteschaltung auch ohne Transformator erreicht werden kann. Um zwischen der parallelen Anregung der Elementarmotoren während eines Sendevorgangs und einer Spannungsaddition durch Serienschaltung der Elementarmotoren im Zuge eines Empfangsvorgangs zu vermitteln, kann eine Schalteinrichtung vorgesehen sein, welche nach erfolgter Aussendung eines Messsignals von einer Parallelschaltung der Elementarmotoren auf eine Reihenschaltung der Elementarmotoren (jeweils elektrisch) umschaltet. Der Verzicht auf einen Trafo ermöglicht eine weitere Gewichtsreduktion und eine Kostenersparnis für einen erfindungsgemäß ausgestalteten Elektro-Akustik-Wandler.
Der Elektro-Akustik-Wandler kann bevorzugt ein Gehäuse und ein Kontaktgummi umfassen. Das Gehäuse kann als im Wesentlichen feststehende (nicht-mitschwingende) Trägereinheit des Elektro-Akustik-Wandlers verstanden werden. Das Kontaktgummi ist eingerichtet, eine mechanische Vorspannung zwischen dem Gehäuse und dem ersten Motor herzustellen. In ähnlicher Weise, insbesondere im Zuge dessen, kann das Kontaktgummi auch eine elektrische Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse des ersten Motors vermitteln. Auch die mechanische Festlegung des ersten Motors kann über das Kontaktgummi erfolgen. Dies vereinfacht die Montage eines erfindungsgemäßen Elektro-Akustik-Wandlers.
Optional kann der Elektro-Akustik-Wandler einen zweiten Motor aufweisen, welcher an einer gemeinsamen Kante der Membran neben dem ersten Motor angeordnet sein kann. Auf diese Weise addieren sich die motorischen Kräfte auf die Membran des Elektro-Akustik-Wandlers bei im Wesentlichen identischem Hub. Alternativ können der erste Motor und der zweite Motor bezüglich eines Zentrums der Membran einander gegenüberliegend angeordnet sein. Auf diese Weise wird bei phasengleicher Ansteuerung der beiden Motoren eine Auslenkung der Membran erzeugt, welche senkrecht auf ihrer Haupterstreckungsrichtung steht. Auf diese Weise kann der Schallfluss erhöht werden.
Bevorzugt weist der Elektro-Akustik-Wandler auch einen dritten Motor auf, wobei die drei Motoren insbesondere derart um die Membran angeordnet sind, dass sie um jeweils 120° bezüglich eines Mittelpunkts der Membran zueinander versetzt gelegen sind. Die Verwendung dreier Motoren erhöht abermals die elektrische Leistung des Elektro-Akustik-Wandlers und erhöht die Freiheitsgrade bei der Ansteuerung (z. B. zur gerichteten Schallabstrahlung) und Signalabnahme (z. B. zur richtungsspezifischen Umfelddetektion) der Membran.
Bevorzugt ist auch ein vierter Motor im Elektro-Akustik-Wandler vorgesehen, wobei die vier Motoren entweder sternförmig (jeweils um 90°) zueinander bezüglich eines Mittelpunktes der Membran versetzt bzw. paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Verwendung von vier Motoren erhöht die elektrische Leistung des Elektro-Akustik-Wandlers abermals und ermöglicht eine Verwendung kleinerer Motoren zur Erhöhung derselben abgestrahlten Schallleistung Zudem kann der Betrieb im Falle eines Defektes anteilig aufrecht erhalten werden.
Die elektrische Kontaktierung der Elementarmotoren innerhalb der Motoren kann bspw. derart erfolgen, dass zwei in Antriebsrichtung erstreckte elektrische Leiter durch senkrecht zwischen die Elementarmotoren dringende Stichleitungen elektrisch mit den Elementarmotoren gekoppelt werden. Dabei wird der eine Leiter an diejenigen Stichleitungen angeschlossen, welche mit den vorderseitig orientierten Stirnseiten der Elementarmotoren gekoppelt sind, während der andere Leiter mit denjenigen Stichleitungen verbunden wird, welche mit den rückwärtigen Stirnseiten der Elementarmotoren gekoppelt sind. Eine solche Bauform kann auch durch Verwendung eines als "Laminieren" bezeichneten Aufbauverfahrens hergestellt werden. Die elektrische Kontaktierung wird auf diese Weise besonders einfach möglich.
Die beiden in Antriebsrichtung verlaufenden elektrischen Leiter können einen jeweiligen Anschluss aufweisen, welcher zur elektrischen Kontaktierung einer Signalquelle dient. Ein solcher Anschluss kann als Steckanschluss oder Schneid-/Klemmverbindung und/oder in Form einer stoffschlüssigen Verbindung (z. B. Löten) ausgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestatteten Fortbewegungsmittels mit einem Elektro-Akustik-Wandler;
2 eine erste Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektro-Akustik-Wandlers;
3 eine erste Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektro-Akustik-Wandlers;
4 eine schematische Draufsicht auf einen ringförmig ausgestalteten Motor;
5a eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Elektro-Akustik-Wandlers; und
5b eine Schnittdarstellung durch das in 5a gezeigte dritte Ausführungsbeispiel des Elektro-Akustik-Wandlers.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, in dessen vorderem Stoßfänger sich ein erfindungsgemäß ausgestalteter Elektro-Akustik-Wandler 1 befindet, der an ein elektronisches Steuergerät 2 als Auswerteeinheit informationstechnisch angeschlossen ist. Der Elektro-Akustik-Wandler 1 ist eingerichtet, über das Steuergerät 2 mit elektrischen Signalen beaufschlagt zu werden, um entsprechende Messsignale in die Umgebung des Pkws 10 auszusenden und andererseits aus der Umgebung empfangene (z. B. reflektierte) Schallsignale in elektrische Signale zu wandeln und dem Steuergerät 2 zuzuführen.
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Elektro-Akustik-Wandlers 1, der eine Membran 4 aufweist, welche auf ein Gehäuse 5 gespannt ist. Die Membran ist eingerichtet, in einer Vorzugsrichtung P1 zu schwingen und dabei Schall abzustrahlen bzw. Schallsignale aufzunehmen. Ein Hebel 8 steht in im Wesentlichen parallel zur Vorzugsrichtung P1 orientierter Richtung von der Membran 4 hervor. Zwischen dem distalen Ende des Hebels 8 und dem Gehäuse 5 ist ein Motor 3 angeordnet, welcher Piezo-Elemente 14 als Elementarmotoren aufweist, welche in einer Antriebsrichtung P2 hintereinander gestapelt sind. Elektrische Signale, welche von einer Spannungsquelle 13 über elektrische Leitungen 11, 12 an die Piezo-Elemente 14 angelegt werden können, sorgen für eine entsprechende Verlängerung bzw. Kontraktion des Motors 3, wodurch die Membran 4 zu Schwingungen in Richtung P1 angeregt wird. Ein bezüglich des Gehäuses 5 dem Hebel gegenüberliegendes Element 6 der Membran 4 bildet mit einer Kavität 7 im Gehäuse 5 einen Formschluss auf, wodurch sowohl die Membran 4 als auch der Motor 3 fest mit dem Gehäuse 5 verbunden werden. Das dem Hebel 8 gegenüberliegende Ende des Motors 3 ist in eine Kavität innerhalb des Gehäuses 5 eingesetzt und daher ebenfalls formschlüssig im Elektro-Akustik-Wandler 1 festgelegt.
3 zeigt eine alternative Anordnung eines Motors 3 zwischen dem Hebel 8 und dem Gehäuse 5, bei welchem zwischen dem Motor 3 und dem Gehäuse 5 ein Kontaktgummi 9 angeordnet ist. Das Kontaktgummi 9 sorgt einerseits für eine andauernde mechanische Vorspannung und andererseits hält das Kontaktgummi 9 elektrische Kontakte bereit, welche die elektrischen Signale auf den elektrischen Leitungen 11, 12 an den Motor 3 bzw. vom Motor 3 weiterleiten.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ringscheibenförmigen Motors 3, welcher eine kreisscheibenförmige Membran 4 umgibt. Ringförmige Piezo-Elemente 14 sind konzentrisch um ein Zentrum der Membran 4 angeordnet und zueinander durch ebenfalls ringförmige Elektroden 18, 19 elektrisch miteinander verbunden. Die Herstellung des dargestellten Motors 3 kann wie eingangs beschrieben, derart erfolgen, dass zunächst ein entsprechender Hohlzylinder gefertigt wird, welcher in ringscheibenförmige Segmente geschnitten wird.
5a zeigt eine rechteckförmige Membran 4 auf einem rechteckförmigen Gehäuse 5. Zwischen dem Gehäuse 5 und einer ersten Kante 16 der Membran 4 sind zwei Motoren 3 angeordnet. In entsprechender Weise sind zwischen dem Gehäuse 5 und einer zweiten Kante 17 der Membran 4 zwei weitere Motoren 3 angeordnet. Die im Bild oben und unten angeordneten Kanten der Membran 4 sind freischwingend ausgeführt, um den Wirkungsgrad des Elektro-Akustik-Wandlers 1 nicht zu beeinträchtigen.
5b zeigt einen Schnitt durch das in 5a gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Membran 4 ist eingerichtet, in einer Vorzugsrichtung P1 zu schwingen. Hierzu ist sie beidseitig mittels Aufhängungen 15 am Gehäuse 5 verankert. Die Aufhängungen 15 sind über Sicken 20 mit der Membran 4 bzw. dem Gehäuse 5 mechanisch (insbesondere auch fluiddicht) verbunden. Motoren 3 sind flächig mit den Aufhängungen 15 verklebt. Eine Ausdehnung der Motoren 3 in jeweilige Richtungen P2, P3 führt zu einer entsprechenden Verlängerung und einer Biegung der Aufhängungen 15, wodurch die Membran 4 in Richtung P1 angehoben wird. Die Aufhängungen 15 weisen eine Haupterstreckungsrichtung auf, welche in einem Winkel von ca. 30° gegenüber der Haupterstreckungsrichtung der Membran 4 geneigt ist. Auf diese Weise wird ein Übersetzungsverhältnis zwischen einem Hub der Motoren 3 und einem Hub der Membran 4 geschaffen, welches die ausgestrahlte Schallleistung erhöht.

Claims

Elektroakustikwandler (1) zur Umfelddetektion in einem Fortbewegungsmittel (10) umfassend: – eine Membran (4), und – einen ersten Motor (3), wobei die Membran (4) eingerichtet ist, in einer Vorzugsrichtung (P1) zu schwingen und der Motor (3) einen Stapel jeweils separat kontaktierter Elementarmotoren (14) aufweist, welche eingerichtet sind, – im Ansprechen auf ein auf die Membran (4) einfallendes Schallsignal und/oder – ein an den ersten Motor (3) angelegtes elektrisches Signal (13) eine Längenänderung des Stapels in einer Antriebsrichtung (P2) zu bewirken, wobei die Antriebsrichtung (P2) ungleich der Vorzugsrichtung (P1) orientiert ist.
Elektroakustikwandler nach Anspruch 1, wobei der erste Motor (3) über einen Hebel (8) mit der Membran (4) gekoppelt ist.
Elektroakustikwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Motor (3) an einer Aufhängung (15) der Membran (4) angeordnet ist.
Elektroakustikwandler nach Anspruch 3, wobei der erste Motor (3) eingerichtet ist, eine – Längenänderung und/oder – eine Biegung der Aufhängung (15) zu bewirken.
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Aufhängung (15) eine Flächennormale aufweist, welche eine andere Richtung aufweist als eine Flächennormale der Membran (4).
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Motor (3) eine Ringscheibenform aufweist, und insbesondere ein Zentrum der Membran (4) äquidistant umgibt.
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektroakustikwandler (1) weiter – ein Gehäuse (5) und – ein Kontaktgummi (9) aufweist, wobei das Kontaktgummi (9) eine elektrische Kontaktierung des ersten Motors (3) vermittelt und zwischen einem Ende des Stapels und dem Gehäuse (5) angeordnet, insbesondere festgeklemmt, ist.
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend – einen zweiten Motor (3), wobei der erste Motor (3) und der zweite Motor (3) die Membran (4) – an einer gemeinsamen Kante (16, 17) der Membran (4) oder – bezüglich eines Zentrums der Membran (4) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 weiter umfassend – einen zweiten Motor (3), und – einen dritten Motor (3), wobei der erste Motor (3), der zweite Motor (3) und der dritte Motor (3) sternförmig um die Membran (4) angeordnet sind.
Elektroakustikwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 weiter umfassend – einen zweiten Motor (3), – einen dritten Motor (3), und – einen vierten Motor (3), wobei der erste Motor (3), der zweite Motor (3), der dritte Motor (3) und der vierte Motor (3) – sternförmig um die Membran (4) oder – paarweise an einander gegenüberliegenden Kanten (16, 17) der Membran (4) angeordnet sind.