DE4413894C2 - Biegewandler in Topfform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Biegewandler in Topfform mit einem Zylinder, dessen Boden von einer Membran aus piezo­ elektrisch inaktiven Material verschlossen ist, die mit einem Blättchen aus piezoelektrischem Material verbunden ist, welches im Wesentlichen zentral auf der der Abstrahlungsfläche der Membran gegenüberliegenden Membraninnenfläche angeordnet ist, wobei im Randbereich der Abstrahlungsfläche der Membran zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung vorgesehen ist.

Bei einer Reihe von Anwendungsfällen ist es erwünscht, dass die Strahlungs- bzw. Empfangscharakteristik eines Ultraschall­ wandlers nicht liniensymmetrisch ist, sondern asymmetrisch. Das bedeutet, dass das abgestrahlte Feld in der einen Lang­ schnittebene eine andere Ausdehnung hat als in der anderen senkrecht hierzu stehenden Langschnittebene. Eine derartige Feldverformung dient u. a. dazu, das Feld an den zu bestrahlenden Raum besser anzupassen. Dies kann gelten für Überwachungsanlagen, aber auch für Abstandswarngeräte in Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Einrichtungen ist es er­ wünscht, dass zum einen das Strahlungsfeld in der horizontalen Ebene einen großen Öffnungswinkel hat, während es in der hier­ zu senkrechten vertikalen Ebene einen nur kleinen Öffnungs­ winkel besitzt. Ein derartiges, im wesentlichen fächerförmiges Feld eines Abstandswarngerätes reagiert weniger stark auf am Boden befindliche, den Weg des Fahrzeugs nicht behindernde Unebenheiten, nimmt dafür aber auch stärker seitlich von der Symmetrieebene des Fahrzeugs befindliche Hindernisse wahr.

Es sind daher viele Vorschläge gemacht worden, wie die gewünschte Verformung eines Feldes erreicht werden kann. Eine Reihe von Vorschlägen zielt darauf ab, die geometrischen Abstrahlungsverhältnisse für die Wellen zu ändern, etwa durch trichterförmige Geometrien. Derartige Maßnahmen sind aber nur wirksam, wenn die die Strahlung beeinflussenden geometrischen Flächen, die für eine Abschattung des Strahlungsfeldes sorgen sollen, im Vergleich zu der Wellenlänge der Strahlung relativ groß sind. Die genannten Maßnahmen werden beispielsweise in der DE 32 21 935 A1, der DE 38 12 182 A1 oder in der EP 0 048 958 A1 beschrieben. Bei der letztgenannten Schrift soll mittels einer die kreisscheibenförmige Membran übergreifenden Blende, welche einen asymmetrischen Ausschnitt besitzt, die Sende- und Empfangskeule so geformt werden, dass am Boden sich befindende Hindernisse ausgeblendet sind. Zwischen der Blende und der kreisscheibenförmigen Membran befindet sich noch ein Absorbermaterial, um die Blende von der Membran zu entkoppeln. Da die Abmessungen der Blende und des Absorbermaterial, wie oben bereits erwähnt, für den hier interessierenden Wellen­ längenbereich (Ultraschall) zu klein sind, haben sie keinen Einfluss auf die Ausbreitung der Ultraschallwellen. Außerdem ist das Absorbermaterial ungeeignet zur Dämpfung von Ultraschallwellen, da Gummi ultraschallhart ist. Dies be­ deutet, dass weder durch die Blende noch durch das Absorber­ material eine Formung der Ultraschallkeule möglich ist.

Eine andere Maßnahme geht dahin, Beugungserscheinungen der Wellen bei der Abstrahlung des Schallwandlers bzw. bei dessen Empfang, sich zunutze zu machen. So wird beispielsweise in der DE 34 41 684 A1 eine elliptisch ausgestaltete Membran be­ schrieben, die mit ihrer langen Achse senkrecht zur Bodenober­ fläche ausgerichtet ist. Dabei wird der Abstrahlungswinkel in der Horizontalen sehr viel größer ist als in der Senkrechten. Einen ähnlichen Effekt erhält man gemäss der US-PS 4 437 032 durch gezieltes Einfügen von Dämpfungsmaterial in den Membran­ topf eines Biegewandlers. Auch durch Verformung der Abstrah­ lungsfläche der Membran selbst (siehe EP-OS 308 899) wurde ein parallel zur Fahrebene des Fahrzeugs fächerförmiges Ausstrah­ lungsfeld sowie ein entsprechendes Empfangsfeld erreicht.

Aus der DE 39 41 933 A1 ist ein Ultraschallwandler bekannt geworden, dessen Membran einen zur Längsachse des Wandlers orthogonalen und zwei gegenüberliegende abgewinkelte Abschnitte aufweist. Das Blättchen aus piezoelektrischem Material ist sowohl hinter dem orthogonalen als auch hinter den abgewinkelten Abschnitten angeordnet, so dass die Schallwellen von allen drei Abschnitten ausgesendet werden. Mit einem derartigen Wandler kann durch die Abschnitte keine Einengung der Schallkeule erreicht werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Form eines Wandlers anzugeben, mit dem die Form der Strahlungs- und Empfangsfeldes zumindest in einer Richtung einfach definierbar ist.

Die Aufgabe wird mit einem elektroakustischer Biegewandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung aus der Seitenwandung des Zylinders im Bereich der Membran heraus­ geschnitten ist, sodass die zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung nicht zur Schallabgabe beiträgt.

Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, die Abstrahlungs­ fläche der Membran zu formen, indem eine kreissegmentförmige Ausnehmung aus der Seitenwandung des Zylinders herausgenommen wird. Die Ausnehmungen tragen nicht mehr zur Abstrahlung von und zum Empfang der Schalwellen bei. Dabei kann die Membran an einen Beschwerungsring (DE-OS 33 01 848) angekoppelt sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2, wonach in die äußere Mantelfläche der zylinderförmigen Seitenwandung unterhalb der Membran eine umlaufende Nut, z. B. zum Festlegen einer Gummidichtung zu einem den Biegewandler aufnehmenden Gehäuse eingeformt ist.

Um das abgestrahlte Feld, insbesondere bei der Verwendung zur Abstandsmessung bei Abstandswarngeräten in Fahrzeugen sowohl zum Boden hin als auch nach oben hin zu begrenzen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 3. Danach besitzt der Biegewandler zwei einander symmetrisch gegenüberliegende kreissegmentförmige Ausnehmungen in der Membran. Diese können beispielsweise beim Giessen des Topfes schon berücksichtigt werden oder in diesen durch spanende Formgebung eingeformt werden.

Eine besonders einfache Fertigung des Membrantopfes ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4. Danach kann die Ausnehmung insbesondere bei spanabhebender Formung mit relativ weiten Toleranzen gefertigt werden.

Um sicherzustellen, dass der Innenraum des Wandlertopfes ge­ schlossen bleibt und nicht durch die beiden o. g. Ausnehmungen eine in die Umgebung führende Öffnung am membranseitigen Ende erhält, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 5. Danach ist die Erstreck­ ung der Membran zwischen den beiden Ausnehmungen in radialer Richtung größer als der Innendurchmesser des Wandlertopfes. Die Ausnehmungen schneiden daher nicht den Innenraum des Wandlertopfes, der somit geschlossen und dicht bleibt.

Dabei sollen in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung entsprechende Merkmale nach Anspruch 6 die parallel zur Symmetrieebene des Wandlers verlaufenden Begrenzungsflächen der Ausnehmungen auch zueinander selbst parallel sein.

Um mit Sicherheit den erwünschten Feldverlauf mit dem erfindungsgemäßen Wandler zu erreichen, haben sich die in Anspruch 7 aufgeführten Abmessungen vielfach bewährt. Als Material für den Wandlertopf wird entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 8 vorzugsweise Aluminium eingesetzt, wobei der Wandlertopf im Gießverfahren, aber auch durch spanabhebende Formung hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine Ansicht von hinten durch das offene Ende des Wandlertopfes in den Wandlertopf,

Fig. 2 eine Ansicht auf die Abstrahlungsfläche des Wandlertopfs von vorn gesehen,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 durch den Wandler und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie B-B durch den Wandler in Fig. 2.

Die Beschreibung geht aus von einem Wandler, wie er beispielsweise in der DE 38 26 799 A1 genannt ist. Ein anderer sehr ähnlicher Wandler ist in der DE 39 39 387 A1 beschrieben. Um Wiederholungen zu vermeiden, beschäftigt sich die nachfolgende Beschreibung nur mit der Ausgestaltung des Wandlertopfes. Gehäuse, Dämpfungsmaterial, Anschlusstechniken und die Anordnung der zugehörigen Leiterplatte werden daher an dieser Stelle nicht erläutert und kommen z. B. in der DE 38 26 799 A1.

Fig. 3 zeigt den Schnitt durch einen Wandlertopf 1, welcher zur Aufnahme von Dichtringen mit umlaufenden Nuten 2, 3 und 4 versehen ist. Der als ringförmige Beschwerung wirkende Zylinder 5 des Wandlers 1 ist an seinem Boden mit einer Membran 6 verschlossen. Fig. 1 zeigt die Sicht des Wandlers nach Fig. 3 gesehen aus der Richtung R in Fig. 3.

In diesen beiden Ansichten unterscheidet sich der erfin­ dungsgemäße Wandler nicht von den in den weiter oben ge­ nannten Literaturstellen beschriebenen bekannten Topfwand­ lern.

Für die Erfindung wichtig ist nun Fig. 2 und Fig. 4. Da­ nach sind aus den Seitenwänden des Zylinders 5 im Bereich der Membran 6 zwei Ausnehmungen 7, 8 herausgeschnitten, die eine kreissegmentförmige Kontur besitzen. Die Kontur der Ausschnitte 7 und 8 ist gut in Fig. 2 zu erkennen. Die kreissegmentförmigen Ausschnitte 7 und 8 haben zwei zuein­ ander parallel laufende Begrenzungsflächen 9 und 10, die im Einbauzustand des Wandlers als Abstandswarner in ein Fahrzeug parallel zu der Fahrbahnfläche ausgerichtet sind. Die Stirnflächen 11, 12 sind kreissegmentförmig.

In Fig. 2 sind noch gestrichelt zwei Kanten 13, 14 darge­ stellt, die den Boden 15 (siehe Fig. 3) der Nut 2 dar­ stellen, bis zu dem hin die Ausnehmungen 7, 8 reichen. Fer­ ner kann der auf den Wandlertopf gemäß Fig. 2 schauende Betrachter noch die Nutwand 16 erkennen, die durch die Einformung der Ausnehmungen für den Betrachter sichtbar wird. Die Kante ist in Fig. 2 nur gestrichelt dargestellt, da es nicht zwingend ist, daß die Ausnehmungen 7, 8 so tief in den Zylinder 5 eingefügt sind. Bemerkenswert ist auch, daß durch das Einfügen der Ausnehmungen 7, 8 in der Schnittebene gemäß Fig. 4 zum Innenraum des Wandlers 1 hin nur eine dünne Wand 20, 21 stehen bleibt.

Die Resonnanzschwingung des Wandlers sollte so gelegt sein, daß über der Membran eine Halbwelle der Schwingung steht, da dann mit Sicherheit die oben beschriebene, er­ wünschte Strahlungsform auftritt.

Claims (8)

1. Biegewandler in Topfform mit einem Zylinder (5), dessen Boden von einer Membran (6) aus piezoelektrisch inaktiven Material verschlossen ist, die mit einem Blättchen aus piezoelektrischem Material verbunden ist, welches im Wesentlichen zentral auf der der Abstrahlungsfläche der Membran (6) gegenüberliegenden Membraninnenfläche angeordnet ist, wobei im Randbereich der Abstrahlungsfläche der Membran (6) zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung (7, 8) vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung (7, 8) aus der Seitenwandung des Zylinders (5) im Bereich der Membran (6) herausgeschnitten ist, sodass die zumindest eine kreissegmentförmige Ausnehmung (7, 8) nicht zur Schallabgabe beiträgt.

2. Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die äußere Mantelfläche der zylinderförmigen Seitenwandung unterhalb der Membran (6) eine umlaufende Nut (2) eingefügt ist.

3. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei einander gegenüberliegende Ausnehmungen (7, 8) aufweist.

4. Biegewandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kreissegmentförmigen Ausnehmungen (7, 8) etwa bis zu der umlaufenden Nut (2) reichen.

5. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der kreissegmentförmigen Ausnehmungen (7, 8) in radialer Richtung kleiner als die Dicke der Zylinderwand des topfförmigen Biegewandlers ist.

6. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zur Längsachse des Wandlertopfes verlaufenden Begrenzungsflächen (9, 10) der Ausnehmungen (7, 8) zueinander parallel sind.

7. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlertopf etwa 14 mm hoch und die ringförmige Zylinderwand etwa 2,8 mm stark ist und die kreissegmentförmigen Ausnehmungen (7, 8) in radialer Richtung die größte Abmessung von 2,3 mm haben, wobei der Außendurchmesser des Wandlertopfes 16,5 mm beträgt.

8. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlertopf aus Aluminium gefertigt ist.