| JP2003122369 | ELECTROMAGNETIC ALARM |
| WO/2005/066931 | HORN FOR VEHICLE |
| JP53030296 | ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCER |
UEBBING, Juergen (Avda. de las Huertas 20/3A, La Carolina, E-23200, ES)
RECENA, Jose (C/Iberia 20 2, La Carolina, E-23200, ES)
RASCH, Bernhard (Goethestr. 52, Fellbach, 70736, DE)
UEBBING, Juergen (Avda. de las Huertas 20/3A, La Carolina, E-23200, ES)
RECENA, Jose (C/Iberia 20 2, La Carolina, E-23200, ES)
| Ansprüche 1. Schallerzeuger (10) zum Erzeugen von Schall mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum, mit einer Membran (16) , die einen beweglichen Kern (18) aufweist, mit einem Aktuator (14), der auf den beweglichen Kern (18) wirkt zum Auslenken der Membran (16), und mit einer Treiberstufe (40) zur Ansteuerung des Aktuators (14) mittels eines elektrischen Schaltmittels (38) , dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger (10) einen Sensor (48) aufweist, der die Bewegung des beweglichen Kerns (18) berührungslos detektiert und sobald der bewegliche Kern (18) eine bestimmte Auslenkposition (50) erreicht hat, ein Signal an die Treiberstufe (40} sendet zur Deaktivierung des Aktuators (14) durch Öffnen des elektrischen Schaltmittels (38) . . Schallerzeuger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (14) eine Magnetspule (24) ist, die in Abhängigkeit vom Zustand des elektrischen Schaltmittels (38) die Auslenkung der Membran (l€) mittels des als ein Magnetkern (20) ausgebildeten beweglichen Kerns (18) beeinflusst. . Schallerzeuger (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) ein induktiver Näherungsschalter (52) , ein megnetoresistiver Sensor (54) oder ein Hall-Sensor (56) ist, wobei der Magnetkern (20) in Abhängigkeit von einer sich ändernden Magnetfeldstärke ein Signal in den induktiven Näherτmgsschalter (52) , den magnetoresistiven Sensor (54) oder den Hall-Sensor (56) induziert. Schallerzeuger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) ein optischer Sensor (58) ist, der die Auslenkposition des beweglichen Kerns (IS) optisch, beispielsweise mittels eines Licht- oder Lasersignals, detektiert, Schallerzeuger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Schaltmittel (38} ein Halbleiterschalter, vorzugsweise ein MOSFET (46} , ist. |
Schallerzeuger
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schallerzeuger zum Erzeugen von Schall mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum, insbesondere ein Hörn, eine Fanfare oder eine Hupe für ein Fahrzeug zur Erzeugung eines Warnsignals .
Stand der Technik
In Personenkraftwagen und anderen Kraftfahrzeugen werden vorwiegend elektromechanische Fanfaren, Hörner oder Hupen - nachfolgend als Schallerzeuger bezeichnet - nach dem Prinzip des Wagnerschen Hämmere eingesetzt. Ein Schallerzeuger nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers umfasst einen
Elektromagneten, der im bestromten Zustand eine Membran aus einer Ruhelage auslenkt, und einen mechanischen Schalter (Öffner) , der mit dem Elektromagneten in Serie geschaltet ist. Der mechanische Schalter ist mit der Membran so gekoppelt, dass er in der Ruhelage der Membran geschlossen und in einem ausgelenkten Zustand der Membran geöffnet ist. Wird der Schallerzeuger mit einer elektrischen Energiequelle verbunden, fließt zunächst Strom durch den Elektromagneten. Die Membran wird ausgelenkt und der öffnende Schalter unterbricht den Stromfluss durch die Magnetspule des Elektromagneten. Das Magnetfeld bricht zusammen, die Membran kehrt in ihre Ruhelage zurück, der mechanische Schalter wird geschlossen und die Magnetspule erneut bestromt .
Bei Schallerzeugern nach dem Prinzip des Wagners chen Hammers ist der Unterbrecherkontakt des mechanischen Schalters das häufigste Verschleißteil . Obwohl der Unterbrecherkontakt in der Regel aus Wolfram gefertigt ist, begrenzt er die Lebensdauer des Schallerzeugers . Diese beträgt typisch ca. 50.000 Zyklen aus jeweils einer Sekunde Betrieb und 4 Sekunden Ruhe . Je nach Intensität der Verwendung des Schal ler zeugers sind damit bei einer Laufleistung eines Fahrzeugs von mehreren Hunderttausend Kilometern Ausfälle des Schallerzeugers durchaus möglich.
Ein herkömmliches Hörn ist in der WO 96/04645 Al beschrieben. In der DE 101 36 182 CI ist ein Signalhorn mit einem Regelkreis zum Abstimmen einer Betriebsgröße des Signalhorns auf einen vorgebbaren Sollwert beschrieben. Ein von einem Pulsgenerator gesteuerter Schalter bestimmt einen durch das Signalhorn fließenden Erregers trom bezüglich seiner Pulsfrequenz und/oder seines Puls-Tastverhältnisses . Bei manchen Anwendungen steht der aufwändige Aufbau des Signalhorns jedoch in einem ungünstigen Verhältnis zu den tatsächlichen Anforderungen an das Signalhorn . Heiterhin ist es aus der DE 101 36 182 Cl bekannt, das Signalhorn in Verbindung mit der vom Pulsgenerator abgegebenen Pulsfrequenz mittels eines Halbleiterschalters , insbesondere eines Feldeffekttransistors, anzusteuern . Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung ist die Funktionsweise des
Signalkorns jedoch nicht als ein Wagnerscher Hammer zu interpretieren, sondern verlangt eine weitaus komplexere Ansteuerung. Damit das Öffnen und Schließen des Stromkreises durch die Magnetspule phasenrichtig erfolgt, sind beispielsweise verhältnismäßig aufwändige Regelschleifen zur Frequenzstabilisierung erforderlich .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen verbesserten Schal ler zeuger zum Erzeugen von Schall mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum zu schaffen, der mit einfachen Mitteln einerseits die Nachteile des Wagnerschen Hammers vermeidet und andererseits dessen Einfacheit beibehält .
Diese Aufgabe wird durch den Schallerzeuger gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst .
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallerzeuger zum Erzeugen von Schall mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum, mit einer Membran, die einen beweglichen Kern aufweist, mit einem Aktuator, der auf den beweglichen Kern wirkt zum Auslenken der Membran, und mit einer
Treiberstufe zur Ansteuerung des Aktuators mittels eines elektrischen Schaltmittels . Dadurch dass der Schallerzeuger einen Sensor aufweist, der die Bewegung des beweglichen Kerns berührungslos detektiert und sobald der bewegliche Kern eine bestimmte Auslenkposition erreicht hat , ein Signal an die Treiberstufe sendet zur Deaktivierung des Aktuators durch Öffnen des elektrischen Schaltmittels, kann die Anzahl der Lebenszyklen um ein Vielfaches auf ca. 500.000 Zyklen erhöht werden. Gegenüber .herkömmlichen, elektronischen Schallerzeugern, die unter anderem einen Mikrocontroller und Speicherbausteine einsetzen, ergibt sich weiterhin der Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktuator eine Magnetspule, die in Abhängigkeit vom Zustand des elektrischen Schaltmittels die Auslenkung der Membran mittels des als ein Magnetkern ausgebildeten beweglichen Kerns beeinflusst. Dabei ist der Sensor als ein induktiver Näherungsschalter, ein megnetoresistiver Sensor oder ein Hall-Sensor ausgebildet, wobei der Magnetkern in
Abhängigkeit von einer sich ändernden Magnetfeldstärke ein Signal in den induktiven Näherungsschalter, den magnetoresistiven Sensor oder den Hall-Sensor induziert. Somit kann auf einen mechanischen Schalter vollständig verzichtet werden, so dass der Leistungsstrom, der maßgeblich für den Verschleiß des mechanischen Schalters verantwortlich zeichnet, über das verschleißfreie elektrische Schaltmittel fließt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Sensor des Schallerzeugers ein optischer Sensor, der die Auslenkposition des Kerns optisch, beispielsweise mittels eines Licht- oder Lasersignals, detektiert. Auch hierdurch kann in vorteilhafter Weise vollständig auf einen mechanischen Schalter in Verbindung mit einer kostengünstigen und einfachen Realisierung verzichtet werden .
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen Fig. 1 : Ein Blockschaltbild eines Schallerzeugers nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 : ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schallerzeugers
Fig. 3 : eine schentatische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung eines berührungslosen Sensors innerhalb des Schallerzeugers .
In Figur 1 ist das Blockschaltbild eines Schallerzeugers 10 nach dem Stand der Technik gezeigt . Dieser besteht aus einem elektrischen Steuerkreis 12 zur Ansteuerung eines Aktuators 14 sowie einer Membran 16 , die ihrerseits einen beweglichen Kern 18 aufweist . Der bewegliche Kern 18 kann in Form eines Magnetkerns 20 aus einem paramagnetischen oder ferromagneti sehen Material im Zentrum der Membran 16 ausgebildet sein . Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Magnetkern 20 ein m i t dem Zentrum der Membran 16 mechanisch gekoppelter, paramagnetischer oder ferromagnetischer Kolben ist . Durch den über Kontakte 22 mit dem Steuerkreis 12 verbundenen Aktuator 13 , vorzugsweise in Gestalt einer Magnetspule 24, werden der Magnetkern 20 und demzufolge auch die Membran 16 in eine Hubbewegung versetzt, die im Wesentlichen in Richtung der Flächennormalen der Membran 16 verläuft . Dazu ist die Membran 16 an ihrem Rand 26 elastisch aufgehängt oder weist eine eigene Elastizität auf , so dass sie bei Deaktivierung der Magnetspule 24 wieder in eine definierte Ruhelage zurückversetzt wird.
Die Magnetspule 24 ist derart angeordnet, dass ihre Längsachse im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der Membran 16 verläuft . Sobald eine Aktivierung der Magnetspule 24 erfolgt, resultiert aus dem durch sie fließenden Strom ein Magnetfeld, das auf den Magnetkern 20 wirkt und zu einer aus lenkenden Kraft auf die Membran 16 führt .
Der elektrische Steuerkreis 12 des Schallerzeugers 10 besteht im Wesentlichen aus einem EMV- Filter 28 zur
Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen, dessen Aufbau und Wirkung einem Fachmann auf dem Gebiet der Elektrotechnik bekannt ist, einer Verpolschutzdiode 30, einem mechanischen Unterbrecherkontakt 32, einem Temperatursensor 34 , einer zu der Magnet spule 24 parallel geschalteten Freilauf diode 36, einem mit der aus Freilauf diode 36 und Magnetspule 24 bestehenden Parallelschaltung in Reihe geschalteten, elektrischen Schaltmittel 38 sowie einer Treiberstufe 40 zur Ansteuerung des elektrischen Schaltmittels 38.
Im Falle eines korrekten Anschlusses einer nicht gezeigten Energiequelle an den elektrischen Steuerkreis 12 sind ein erster Batteriekontakt 42 und ein zweiter Batteriekontakt 44 mit einem Versorgungspotential V Bat bzw. einem
Bezugspotential GND derart verbunden, dass an ihnen die Spannung U Bat anliegt, die zudem über das eingangsseitige EMV- Fi It er 28 abfällt . Zum Schutz des elektrischen Steuerkreises 12 vor einem Verpolen der Energiequelle an den Batteriekontakten 42 und 44 ist die Verpolschutzdiode 30 vorgesehen, die anodenseitig mit dem Versorgungspotential V Bat und kathodenseitig mit dem mechanischen Unterbrecherkontakt 32 , der Treiberstufe 40 sowie einem ersten Kontakt der Parallelschaltung aus Freilauf diode 36 und Magnet spule 22 verbunden ist .
Das elektrische Schaltmittel 38 ist vorzugsweise als ein MOSFET 46 ausgebildet, dessen Drain-Anschluss mit einem zweiten Kontakt der Parallelschaltung aus Freilaufdiode 36 und Magnetspule 24 verbunden ist. Während der Source- Anschluss des MOSFETs 46 auf dem Bezugspotential GND liegt, wird dessen Gate-Anschluss von der Treiberstufe 40 angesteuert, die ihrerseits ebenfalls eine weitere, elektrische Verbindung zum Bezugspotential GND aufweist. Statt eines MOSFETs können auch andere bipolare oder Feldeffekt-Transistorschalter zum Einsatz kommen, die geeignet sind, entsprechende Leistungsatrötne zu verarbeiten.
Wird nun der einerseits mit dem Versorgungspotential V Bat und andererseits mit der Treiberstufe 40 verbundene, mechanische Unterbrecherkontakt 32 geschlossen, so führt dies zu einem Schließen des MOSFETs 46 über den mit der Treiberstufe 40 verbundenen Gate-Anschluss, so dass der Aktuator 14 aktiviert wird und der durch die Magnetspule 24 fließende Strom ein Auslenken der Membran 16 aufgrund des auf den Magnetkern 20 wirkenden Magnetfelds in Richtung der Flächennormalen der Membran 16 bewirkt. Erreicht der als Kolben ausgebildete Magnetkern 20 eine bestimmte Auslenkposition, stößt er auf den mechanischen
Unterbrecherkontakt 32 und öffnet diesen wieder. Daraufhin wird durch die Treiberstufe 40 das Gate des MOSFETs 46 im Sinne eines Öffnens angesteuert, so dass sich die Membran 16 aufgrund ihrer elastischen Aufhängung in Verbindung mit dem durch die Freilaufdiode 36 rasch abfallenden Magnetfeld der Magnetspule 24 wieder in ihre ursprüngliche Ausgangslage zurückbewegt. Auf diese Weise erhält man ein dem Wagnerschen Hammer entsprechendes, selbstregelndes System, wobei der Leistungsstrom, der maßgeblich für den Verschleiß des mechanischen Schalters eines Wagnerschen Hammers verantwortlich zeichnet, über den verschleißfreien MOSFET 46 fließt. Um eine thermische Überlastung des Schallerzeugers 10 zu vermeiden, weist der elektrische Steuerkreis 12 zusätzlich den Temperatursensor 34 auf. Dieser ist derart mit der Treiberstufe 40 verbunden, dass er im Übertemperaturfall ein Schließen des MOSFETs 46 auch bei geschlossenem
Unterbrecherkontakt 32 verhindert, und erst wieder ein Schließen des MOSFETs 46 ermöglicht, wenn die Temperatur innerhalb des Schallerzeugers 10 auf einen zulässigen Maximalwert gefallen ist. Je nach Auslegung der Treiberstufe 40 kann der Temperatursensor 34 als HTC oder PTC ausgestaltet sein.
Erfindungsgemäß ist in Figur 2 der mechanische Schalter 32 als das noch einzige einem mechanischen Verschleiß unterworfene Bauelement des Schallerzeugers 10 durch einen Sensor 48 zur berührungslosen Detektierung der Bewegung des beweglichen Magnetkerns 20 ersetzt. Sobald der als Kolben ausgebildete Magnetkern 20 eine bestimmte Auslenkposition 50 erreicht hat, sendet er ein Signal an den elektrischen Steuerkreis 40 zur Deaktivierung der Magnetspule 24 durch Öffnen des MOSFETs 46.
Ist der Sensor 48 als ein induktiver Näherungsschalter 52, ein megnetoresistiver Sensor 54 oder ein Hall-Sensor 56 ausgebildet, so detektiert er das Erreichen der bestimmten Auslenkposition 50 infolge einer sich ändernden Magnetfeldstärke der Magnetspule 24 in Abhängigkeit von deren Lage. Bei Erreichen eines definierten Sollwertes erfolgt dann die phasenrichtige Deaktivierung der Magnetspule 24 zur Verbringung der Membran 16 in ihre Ruhelage .
Gemäß Figur 3 ist der Sensor 48 dabei derart innerhalb des Schallerzeugers 10 zu positionieren, dass der bewegliche Magnetkern 20 durch seine sich ändernde Position und die damit verbundene Änderung der Magnetfeldstärke ein Signal in den Sensor 48 induziert, das bei Erreichen der bestimmten Auslenkposition 50 zu einer Ansteuerung des elektrischen Steuerkreises 40 im Sinne eines Öffnens des MOSFETs 46 über dessen Gate führt.
Als Sensor 4B ist neben den erwähnten induktiven Sensoren auch ein optischer Sensor 58 denkbar, der die Auslenkposition des Magnetkerns 20 optisch, beispielsweise mittels eines Licht- oder Lasersignals, detektiert.
Statt eines als beweglichen Kolben ausgebildeten Magnetkerns 20 kann der Kern 18 - wie bereits eingangs erwähnt - ebenso aus einem paramagnetischen oder ferromagnetisehen Material im Zentrum der Membran 16 ausgebildet sein. Auch in diesem Fall eignet sich sowohl ein induktiver Sensor 52, 54, 56 als auch ein optischer Sensor 58 zur Detektion der Auslenkposition 50 in der vorbeschriebenen Art. Im Unterschied zu einem als Kolben ausgebildeten Magnetkern 20 ergibt sich dabei gegebenenfalls lediglich eine abgewandelte Position des Sensors 48 innerhalb des Schall erzeugers 10 in der unmittelbaren Nähe der Membran 16.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass das gezeigte Ausführungsbeispiel weder auf die Figuren 2 und 3 noch auf die gezeigten Bauteile beschränkt ist. So kann beispielsweise der Aktuator 14 auch als eine Piezoelement realisiert sein, dass unmittelbar auf die Membran 16 wirkt. Zudem ist der Einsatz des Temperatursensors 34 nicht zwingend erforderlich. Auch auf das EMV-Filter 48, die Verpolschutzdiode 30 und die Freilaufdiode 36 kann gegebenenfalls ohne Beeinträchtigung der Erfindung verzichtet werden.