WO2020208168A1 - Schwingungsaktuator für steife strukturen zur hochleistungs-basswiedergabe im automobilbereich - Google Patents

Schwingungsaktuator für steife strukturen zur hochleistungs-basswiedergabe im automobilbereich Download PDF

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WO2020208168A1
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spring
spring element
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PCT/EP2020/060215
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French (fr)
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Dimitrios Patsouras
Robert Joest
Jens Friedrich
Johannes Kerkmann
Pascal KÖHLER
Karsten Moritz
Robert Wick
Stephan Eisele
Charalampos Ferekidis
Philipp Neubauer
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Continental Engineering Services Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an actuator for exciting at least one component of a motor vehicle with vibrations, a component arrangement with such an actuator and a motor vehicle with such a component arrangement.
  • Loudspeakers for reproducing particularly low tones are often built into a housing in the vehicle interior. This already includes the resonance volume adapted for the loudspeaker.
  • loudspeaker-housing combinations have the aforementioned disadvantages, such as, in particular, a large volume and a high weight.
  • the invention preferably relates to an actuator for exciting at least one component of a motor vehicle with vibrations.
  • the actuator has a housing which is designed to be connected to the component.
  • the actuator has an electrical coil which is rigidly connected to the housing and is designed to generate a magnetic field when an electrical current flows through it.
  • the actuator has a magnet which is arranged in the housing so that it can move to a limited extent.
  • the at least one component which is excited to vibrate by the actuator is particularly preferably a structure of several components, very particularly preferably comprising the housing.
  • the actuator can preferably such components in a suitable manner
  • the actuator for a rigid structure is designed as a component to be stimulated for high-performance bass reproduction in the automotive sector.
  • the actuator itself does not emit sound, but stimulates structures that are already present in the vehicle, at least one of them as a component to be excited, to vibrate.
  • the structure forms vibrations and ultimately emits sound in an advantageous manner compared to conventional subwoofers. No additional resonance volume is necessary.
  • the space requirement is reduced to a minimum.
  • the actuator is advantageously 5-10 times smaller and 2-5 times lighter than a conventional subwoofer.
  • One purpose of the actuator can, for example, be to prevent vibrations or
  • the structure expediently comprises a plurality of components, in particular components connected to one another, which are jointly or partially excited to vibrate.
  • the actuator is preferably designed so that it is particularly suitable for reproducing low tones or bass reproduction, the actuator for frequencies below 100 Hz or 200 Hz, in particular below 100 Hz or 200 Hz down to at least 60 Hz, particularly preferably down at least 40Hz, in each case expediently with an amplitude drop of up to -6dB, especially -3dB, is or is also suitable.
  • the actuator is useful for playing a
  • the actuator is designed so that it can continuously generate a sound pressure level of at least 80 dB for at least one hour.
  • the housing of the actuator is preferably connected directly to the component or indirectly via at least one fastening means.
  • the connection between the housing and the component is directly or indirectly embodied in particular essentially rigid and / or rigid.
  • the component is expediently designed as one of the following structures of a motor vehicle, floor pan, door structural panel, trunk lid, spare wheel recess, roof structure, cross member, fender, longitudinal member, door carrier, end wall or frame part and in particular as one of the following structures: floor plate, trunk lid or end wall.
  • This structure is particularly preferably designed as a carbon and / or glass fiber reinforced plastic GRP and / or carbon fiber reinforced plastic CFRP.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the vibrations are preferably mechanical vibrations. This can be expressed, for example, in a vibration of the actuator. Such vibrations can be transmitted to at least one component, which then also executes corresponding vibrations.
  • the vibrations of the actuator are preferably vibrations which, after being transmitted to at least one component, lead to the emission of airborne sound waves or the generation of sound waves which then propagate further through the air.
  • the vibrations can have frequencies between 20 Hz and 20 kHz, which roughly corresponds to a typical human hearing range.
  • the actuator preferably has an electrical connection, for example by means of a plug or clamp connection, which can be fully or partially integrated into the housing and is electrically connected to the coil.
  • a cable for example, can be used for this. This can form an electrical connection between the connection and the coil.
  • Such a cable can also be used, for example, to arrange the electrical connection away from the housing.
  • the electrical connection is advantageously rigidly connected to the housing. In this way, in particular, a relative movement between the electrical connection and the housing can be prevented, which can prevent wear.
  • An electrical connection between the electrical connection and the coil is preferably completely fixed on the housing. This allows a relative movement between the electrical connection, for example a cable, and the Housing can be effectively prevented. This avoids friction and fatigue of the materials and thus wear and tear.
  • the magnet can preferably be excitable and / or deflectable in particular by means of the magnetic field generated by the coil. This can generate vibrations.
  • the magnet can preferably be movable in only one spatial direction defined in the housing.
  • a spatial direction can correspond to a combination of a direction and an exactly opposite direction. In other words, the magnet can be moved one-dimensionally along an axis defined in the housing.
  • the actuator preferably has a spring arrangement which is designed to bias the magnet into a rest position. From this rest position, the magnet can then be deflected in particular by means of the magnetic field generated by the coil already mentioned.
  • the spring arrangement can preferably be designed to reset the magnet to the rest position along every possible direction of movement.
  • the possible directions of movement can be, for example, those directions which are defined by the spatial direction already mentioned above.
  • the spring arrangement preferably has a first spring element and a second spring element, the magnet being held between the first spring element and the second spring element.
  • the first spring element preferably prestresses the magnet in a first direction.
  • the second spring element preferably prestresses the magnet in a second direction or orientation opposite to the first. This can be particularly advantageous if, as already mentioned above, the magnet can be moved in a spatial direction or only one-dimensionally. Then the magnet is biased in both directions by the spring arrangement.
  • the spring element or the first spring element preferably has a number of spring arms for pretensioning the magnet.
  • the second spring element also preferably has a number of spring arms for pretensioning the magnet.
  • the spring arms of the first spring element can preferably be arranged in a star shape or in a spiral shape.
  • the spring arms of the second spring element can also preferably be arranged in a star shape or in a spiral shape. In the middle of such a star shape, for example, the magnet can be fastened, the spring effect resulting therefrom having proven to be advantageous.
  • the arrangement of the spring arms is expediently designed symmetrically or, alternatively, preferably asymmetrically, in order to prevent natural vibrations.
  • the asymmetry is particularly preferred as
  • the material thickness or material thickness of the spring elements can preferably be designed to be constant or in particular to be of different thickness. So it is useful to provide different thicknesses at different points of the spring elements in order to have special vibration properties and special
  • a spring element can be made more progressive through profiling
  • At least one spring arm or the spring arms and / or at least one spring element is designed profiled in order to increase the rigidity and the
  • Profiling is included particularly preferably carried out by at least one rib and / or at least one bead and / or at least one edge and / or at least one curvature, very particularly preferably for each spring arm and / or each spring element.
  • the first spring element and the second spring element are preferably as far away from each other as possible and / or are arranged at opposite ends of the housing within the housing.
  • the magnet is suitably preloaded into its rest position in any position of the housing relative to the earth's surface or to another external element and can be deflected by the magnetic field as intended without restriction.
  • the greatest possible distance can relate in particular to the spatial direction already mentioned above, which indicates an axial movement of the magnet.
  • the spring elements can be made from plastics, metals or composite materials, for example. This can influence the acoustic behavior. In particular, this can influence the damping behavior of the spring elements.
  • the spring elements are particularly preferred, in particular additionally,
  • the magnet can preferably be movable within the coil.
  • Mobility within the coil a particularly good effect of the magnetic field generated by the coil is achieved.
  • the actuator preferably has a ring as a housing or housing part, which surrounds the coil and is made of magnetically conductive and / or thermally conductive material. By making it from magnetically conductive material, a magnetic connection can be generated laterally to the coil in a preferred manner. The effect of the magnetic field generated by the coil is thereby considerably improved.
  • the housing of the actuator is preferably made of a material with a thermal conductivity of at least 25 W / (m K), in particular of
  • the housing of the actuator preferably has a heat capacity of at least 0.08 kJ / K, in particular of at least 0.1 kJ / K. Due to this particularly high specific heat capacity, high heat input caused by temporary load peaks can be absorbed by the coil.
  • the fixed connection of the coil to the housing can preferably be produced by an adhesive connection made of adhesive that is thermally relatively highly conductive.
  • the adhesive has a thermal conductivity of at least 0.8 W / (m K), in particular at least 1 W / (m K).
  • the layer thickness of the adhesive is expediently a maximum of 0.3 mm, in particular less than 0.1 mm. This ensures efficient heat dissipation from the coil into the housing.
  • the coil carrier of the coil firmly attached to the housing is made of a thermally relatively highly conductive material with a
  • 1 W / (m K) is designed to ensure efficient heat dissipation from the coil into the housing. It is preferred that the inner surface of the housing, which means
  • Adhesive connection is connected to the coil and / or the coil carrier, is structured and / or is formed profiled.
  • rectangular profiles and / or triangular profiles and / or sinusoidal profiles and / or circular arc profiles as surface structuring in order to ensure efficient heat dissipation from the coil into the housing by means of an increase in the contact surface.
  • further profiles / ribs can expediently be applied to the outside of the housing, which ensure an improved heat transfer to the environment.
  • the housing has a first cover cap at a first axial end with respect to the coil.
  • This can in particular be made of plastic, of a non-magnetically conductive and / or of a non-thermally conductive material or of a thermally conductive material.
  • the housing can also have a second cover cap at a second axial end with respect to the coil. This, too, can be made in particular
  • Plastic be formed from a non-magnetically conductive and / or from a non-thermally conductive material or from a thermally conductive material.
  • a magnetic flux can be wholly or partially held in the housing, which prevents, for example, interference with other components.
  • heat emission from the actuator to a contacting element can be prevented or reduced.
  • Plastics such as PA6 (polyamide 6), ABS
  • a three-part construction of the housing ie with a ring and two cover caps, can be provided.
  • a respective cover cap can also be designed to be thermally conductive, for example.
  • it can at the same time not be made magnetically conductive. As a result, heat can be released to another element, which prevents the actuator from overheating.
  • aluminum or magnesium can be used as a thermally conductive and non-magnetically conductive material.
  • the housing preferably has an externally accessible bore with an internal thread or some other externally accessible fastening means.
  • a fastening means can, for example, also be designed as a through hole without a thread or in some other suitable manner.
  • the housing can for example be rigidly attached to another element than the component of the motor vehicle already mentioned, for example to a body or to a floor of the motor vehicle.
  • a reference to another element, in particular a more rigid element can be established so that the component can be excited in an advantageous manner.
  • the magnet preferably has a mass which is in a range between 80% of the mass of the other components of the actuator and 120% of the mass of the other components of the actuator. Such values have become
  • the housing can preferably be completely or essentially radially symmetrical. This has proven to be a design that is easy to manufacture and use. However, other designs, for example a square, square, rectangular or a design with a different number of corners are also possible.
  • the housing can for example be designed to be closed, open or partially open. A closed design can in particular achieve a certain level of protection against the ingress of dust, liquids or other contaminants.
  • the magnet preferably has a magnetic central part, a first pole plate and a second pole plate.
  • the middle part is preferably surrounded by the first pole plate and the second pole plate.
  • the magnetic middle part can in particular be arranged along a single possible direction of movement of the magnet or the spatial direction between the first pole plate and the second pole plate. Such designs have proven to be advantageous.
  • the first and / or second pole plates are preferably assigned to the magnet, in particular on two opposite sides, the magnet between the pole plates, particularly preferably in the middle, in the undeflected state of the actuator.
  • the outwardly directed surface of an expedient first pole plate i.e. facing away from the magnet, the pole plate being assigned to the magnet, is preferably concave, in particular with regard to its cross section, so that it has a greater thickness at the outer edge than in its center.
  • the transition between the thicker, outer edge and the thinner middle part is in particular designed to be linearly sloping or sloping in the shape of a circular arc or sloping in a parabolic manner.
  • the pole plate particularly preferably has a collar, in particular of essentially constant thickness, which can have up to 20% of the total extent of the pole plate.
  • the surface of the first pole plate which is oriented towards the magnet is expediently designed to be essentially planar.
  • a second pole plate is preferably formed on its outwardly directed side like the first pole plate on its outwardly directed surface.
  • the second pole plate also faces the magnet
  • the first and / or second pole plate are expediently designed with regard to their outwardly directed surface in such a way that they have an im
  • first and / or the second pole plate is essentially planar on the side facing the magnet and that the side facing away from the magnet or outer side is concave in terms of its cross section and thus the entire cross section of the pole plate is concave .
  • the outer side of the first and / or the second pole plate has a collar, in particular on the circumferential edge, on which the pole plate has a greater thickness or material thickness than in the middle, with the pole plate (s) in the area of the middle of the outer side in particular each has / have a substantially planar plateau.
  • the transition between the collar and plateau is particularly preferably designed as a linear transition or a circular arc-shaped or a parabolic transition or a
  • the magnet or the magnetic middle part can for example consist of a
  • Neodymium alloy or a ferrite alloy Neodymium alloy or a ferrite alloy.
  • the invention furthermore preferably relates to a component arrangement for a motor vehicle, the component arrangement at least one component for the
  • the actuator is rigidly connected to the component.
  • the actuator all of the designs and variants described herein can be used.
  • the component arrangement which is preferred and / or according to the invention can be used to simply excite the component with vibrations that generate sound waves possible, so that the component can be used as part of a system for audio playback in the motor vehicle. Compared to a separate
  • Loudspeaker which typically requires a separate membrane, is considerably more space-consuming and heavier, is made possible by the loudspeaker according to the invention
  • the invention also relates to a motor vehicle which has at least one component arrangement according to the invention.
  • a motor vehicle which has at least one component arrangement according to the invention.
  • the component arrangement and in particular with regard to the actuator contained therein, all of the designs and variants described herein can be used.
  • the advantages already described above can be achieved in this way, in particular the motor vehicle can be compared to designs with conventional
  • Speakers have more space and / or a lower weight.
  • the invention also relates to the use of an actuator, in particular an actuator according to the invention, in a motor vehicle.
  • an actuator in particular an actuator according to the invention, in a motor vehicle.
  • the actuator according to the invention all of the embodiments and variants described herein can be used.
  • an actuator or vibration exciter which does not itself emit sound, but stimulates existing structures in the vehicle. This excitation causes the structure to vibrate, whereupon it itself emits sound.
  • the actuator is typically about a factor of 5 to 10 smaller and a factor of 2 to 5 lighter.
  • Actuators, depth actuators or vibration exciters, as described herein, can preferably have the following features, for example, which can be used individually or in combination:
  • the coil of the actuator is directly connected to the outer housing, for example glued or otherwise connected, with the magnet is typically internal, for example inside the
  • Coil diameter and is typically movably mounted.
  • An outer ring as a housing or housing part, to which the coil can be attached can consist of a thermally conductive metal or material, wherein the ring can, for example, close a magnetic flux circuit and can also dissipate the heat of the coil to the outside and on the outer side can give off to the environment.
  • the actuator can be installed in a wide variety of positions inside and outside the vehicle. It can preferably be attached to sheet metal structures such as a floor panel, a structural door panel, a trunk lid, a spare wheel recess, a roof structure, a cross member, a fender, a longitudinal member, a front wall or other components of a motor vehicle.
  • sheet metal structures such as a floor panel, a structural door panel, a trunk lid, a spare wheel recess, a roof structure, a cross member, a fender, a longitudinal member, a front wall or other components of a motor vehicle.
  • the actuator can be positioned in all spatial directions with the same suitability. This can be made possible in particular by centering the magnet system or the magnet on planes that are as far apart from one another as possible.
  • the centering and the suspension of the magnet system can be implemented in one component, which can consist of various materials such as plastics, metals or composite materials, whereby the acoustic behavior can be influenced or optimized.
  • the actuator can have a central hole that is continuous from top to bottom in order to be able to fasten the actuator in the middle on a bolt.
  • the mass of the movable magnet system or core can be
  • the actuator can be operated both above and below its own resonance frequency.
  • the actuator housing can in principle be designed in various forms, but a symmetrical design can be advantageous for assembly and also for manufacture. Materials can be designed differently, for example.
  • the magnet can for example consist of a neodymium alloy or also of a ferrite alloy.
  • the housing can be designed to be open or partially open. Apart from the central hole already mentioned, the actuator can also be connected via an external attachment or an adhesive or welded connection. A structure is also conceivable in which the magnet system is not completely within the
  • Coil diameter lies, wherein the coil can also be partially enclosed by the magnet.
  • FIG. 1 shows an actuator 5 according to an exemplary embodiment of the invention in a side exploded view.
  • the actuator 5 has a housing 10.
  • the housing 10 is formed by a first cover cap 12, a second cover cap 16 and a ring 14.
  • the two cover caps 12, 16 are arranged on the outside and consist of non-thermally conductive, non-magnetically conductive material. It should be mentioned that one or both of these two cover caps 12, 16, for example, are also made thermally conductive, non-magnetically conductive material could exist.
  • the ring 14 is made of thermally conductive, magnetically conductive material.
  • the actuator 5 has a spring arrangement 20, which by a first
  • Spring element 22 and a second spring element 24 is formed. Their implementation will be discussed in more detail below.
  • the actuator 5 has a coil which is formed by a coil carrier 32, a first coil section 34 and a second coil section 36.
  • the two coil sections 34, 36 are applied to the coil carrier 32. Electric current can flow through the coil sections 34, 36, so that a magnetic field is generated in the coil 30.
  • the actuator 5 has a magnet 40. This is formed by a magnetic middle part 42 as well as a first non-magnetic pole plate 44 and a second non-magnetic pole plate 46. The middle part 42 is accommodated between the two pole plates 44, 46.
  • Two sets of four screws 18, 19 each are used to fasten the components mentioned.
  • fastening by gluing, welding or riveting would also be possible, for example.
  • Fig. 2 shows the actuator 5 in a perspective exploded view. It can be seen that the first spring element 22 has a total of four spring arms 26. The second spring element 24 accordingly has a total of four spring arms 28.
  • the magnet 40 is designed such that the two pole plates 44, 46 directly adjoin the magnetic middle part 42.
  • the magnet 40 is then axially adjacent as a whole from the two
  • the magnet 40 is only movable in one axial direction, wherein it is pretensioned by the spring elements 22, 24 into a central rest position.
  • the pole plates 44, 46 are designed to be concave on their outwardly directed surface. This enables a particularly space-saving arrangement of the magnet 40 between the spring elements 22, 24 and allows a particularly high magnetic flux density in the edge region of the pole plates.
  • the coil 30 surrounds the magnet 40 radially.
  • the coil 30 is firmly fixed in the housing 10.
  • the magnet 40 can be deflected from its rest position, which causes vibrations.
  • a voltage can be applied to which an audio signal is modulated.
  • the magnet 40 then vibrates in accordance with this audio signal and generates corresponding vibrations.
  • the ring 14 made of magnetically conductive material serves to provide an advantageous magnetic connection.
  • a first cylinder-like projection 13, which extends from the first, is used to define the axial direction along which the magnet 40 is movable
  • Cover cap 12 extends from inward, and a second cylindrical projection 17 which extends from the second cover cap 16 inward.
  • Fig. 3 shows the actuator 5 in the assembled state. It can be seen here that three cylindrical contact points 7 are arranged on the outside of the first cover cap 12. With these, the actuator 5 can be attached to a component of a
  • Adjacent motor vehicle Adjacent motor vehicle. Furthermore, a bore 8 is arranged in the center, in which a thread is formed. The actuator 5 can thus be attached to a component.
  • the second cover cap 16 is also designed accordingly.
  • the bore 8 can also be used to connect the actuator 5 to a rigid component such as a body part of a vehicle and the actuator 5 on the
  • the opposite side can be connected to a component that is to be excited to vibrate.
  • the stationary component such as a body of the vehicle, can serve as a reference, relative to which the vibrations are excited.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a spring element, here by way of example the first spring element 22. This can be used in the context of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3 instead of the first spring element 22 shown there and / or instead of the second spring element 24 shown there will.
  • the spring arms 26 of the spring element 22 shown in FIG. 4 are designed in a spiral shape. A different spring characteristic can thus be achieved.
  • Fig. 5 shows schematically an exemplary pole plate 44, 46 in cross section.
  • the pole plate is, for example, designed to be essentially flat 61 on the side facing the magnet (not shown).
  • the outer side or surface 62 facing away from the magnet is concave and thus the whole
  • the outer side has a collar 63 on the circumferential edge, on which the pole plate has a greater thickness or
  • the pole plate having an essentially planar plateau 64 in the area of the center of the outer side.
  • the transition 65 between collar 63 and plateau 64 can be designed in various ways; a linear transition, a circular arc-shaped and a parabolic transition are illustrated on the left-hand side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zum Anregen eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs mit Schwingungen, wobei der Aktuator ein Gehäuse, eine elektrische Spule sowie einen in dem Gehäuse begrenzt beweglichen Magneten aufweist.

Description

Beschreibung
Schwingungsaktuator für steife Strukturen zur hochleistungs-Basswiedergabe im Automobilbereich
Die Erfindung betrifft einen Aktuator zum Anregen wenigstens eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs mit Schwingungen, eine Bauteilanordnung mit einem solchen Aktuator sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Bauteilanordnung.
In heutigen Kraftfahrzeugen sind Entertainmentsysteme Standard, welche eine Audiowiedergabe aus Quellen wie beispielsweise Radio, CD oder elektronischen Aufzeichnungen erlauben. Zur ausgewogenen Audiowiedergabe in Fahrzeugen wird in der Regel das Audiosignal in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt und über jeweils dafür optimierte Elemente wiedergegeben zur Wiederhabe tiefer Töne sind ausreichend schwere und große Lautsprecher sowie große Volumina nötig, um einen entsprechend kräftigen Klang zu erzeugen. Im Fahrzeuginneren sind jedoch in der Regel nur geringe Volumina verfügbar, ohne den Nutzraum zu beschränken. Ferner wirkt sich das typischerweise hohe Gewicht solcher Lautsprecher negativ auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch auf den Schadstoffausstoß und die Reichweite aus.
Häufig werden Lautsprecher zur Wiedergabe insbesondere tiefer Töne bereits in einem Gehäuse integriert im Fahrzeuginnenraum verbaut. Dieses beinhaltet bereits das für den Lautsprecher angepasste Resonanzvolumen. Allerdings weisen derartige Lautsprecher-Gehäuse-Kombinationen die zuvor erwähnten Nachteile wie insbesondere ein großes Volumen und ein hohes Gewicht auf.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative und/oder verbesserte Möglichkeit zur Audiowiedergabe in Kraftfahrzeugen vorzusehen.
Dies wird erfindungsgemäß durch einen Aktuator, eine Bauteilanordnung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche
Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise einen Aktuator zum Anregen wenigstens eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs mit Schwingungen. Der Aktuator weist ein Gehäuse auf, welches dazu ausgebildet ist, mit dem Bauteil verbunden zu werden. Der Aktuator weist eine elektrische Spule auf, welche starr mit dem Gehäuse verbunden ist und dazu ausgebildet ist, beim Durchfließen eines elektrischen Stroms ein Magnetfeld zu erzeugen. Des Weiteren weist der Aktuator einen Magneten auf, welcher in dem Gehäuse begrenzt beweglich angeordnet ist. Das wenigstens ein Bauteil, welches durch den Aktuator zu Schwingungen angeregt wird ist besonders bevorzugt eine Struktur mehrerer Bauteile, ganz besonders bevorzugt umfassend das Gehäuse.
Der Aktuator kann vorzugsweise derartige Bauteile in geeigneter Weise zu
Schwingungen anregen, welche dann wiederum Luftschall abstrahlen können. Das Einsetzen von derartigen Aktuatoren in Kraftfahrzeugen erlaubt im Vergleich zu bekannten, in Kraftfahrzeugen verwendeten Lautsprechern eine erhebliche Einsparung von Platz und Gewicht.
Es ist zweckmäßig, dass der Aktuator für eine steife Struktur als anzuregendes Bauteil für eine hochleistungs-Basswiedergabe im Automobilbereich ausgelegt ist. Der Aktuator strahlt nicht selbst Schall ab, sondern regt ohnehin im Fahrzeug vorhandene Strukturen, wenigstens eine davon als anzuregendes Bauteil, zu Schwingungen an. Durch diese Anregung bildet die Struktur Schwingungen aus und strahlt schließlich Schall in vorteilhafter Weise gegenüber konventionellen Subwoofern ab. Dabei ist kein zusätzliches Resonanzvolumen notwendig. Der Bauraumbedarf wird aufs Minimum reduziert. Der Aktuator ist vorteilhafterweise um den Faktor 5-10 kleiner und um den Faktor 2-5 leichter als ein konventioneller Subwoofer. Die Performance der Basswiedergabe - insbesondere im Hinblick auf extreme Leistungsspitzen und dauerhafte Höchstbelastung - überschreitet jene von konventionellen Subwoofern bei Weitem. Ein Zweck des Aktuators kann es beispielsweise sein, Vibrationen bzw.
Schwingungen zu erzeugen, um mittels geeigneter Struktur/en eine Abstrahlung von Luftschall bzw. eine Schallwiedergabe zu realisieren.
Zweckmäßigerweise umfasst die Struktur mehrere Bauteile, insbesondere miteinander verbundene Bauteile, welche gemeinsam oder partiell zur Schwingung angeregt werden.
Der Aktuator ist bevorzugt so ausgebildet, dass er zur Wiedergabe tiefer Töne bzw. zur Basswiedergabe besonders geeignet ist, wobei der Aktuator für Frequenzen unterhalb von 100Hz bzw. 200Hz, insbesondere unterhalb von 100Hz bzw. 200Hz bis hinunter zu mindestens 60Hz, besonders bevorzugt bis hinunter zu mindestens 40Hz, jeweils zweckmäßigerweise mit einem Amplitudenabfall von bis zu -6dB, insbesondere -3dB, geeignet ist bzw.- auch geeignet ist.
Der Aktuator ist zweckmäßigerweise zur Wiedergabe eines
Schalldruck-Maximalpegels von mindestens 100dB ausgebildet.
Der Aktuator ist insbesondere so ausgelegt, dass er mindestens eine Stunde dauerhaft einen Schalldruckpegel von mindestens 80dB erzeugen kann.
Das Gehäuse des Aktuators ist vorzugsweise direkt mit dem Bauteil verbunden oder indirekt über wenigstens ein Befestigungsmittel. Die Verbindung zwischen Gehäuse und Bauteil ist direkt oder indirekt dabei insbesondere im Wesentlichen starr und/oder steif ausgebildet.
Das Bauteil ist zweckmäßigerweise als eine der folgenden Strukturen eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, Bodenblech, Türstrukturblech, Kofferraumdeckel, Reserveradmulde, Dachstruktur, Querträger, Kotflügel, Längsträger, Türträger, Stirnwand oder Rahmenteil und insbesondere als eine der folgenden Strukturen Bodenblech, Kofferraumdeckel, oder Stirnwand. Dabei ist diese Struktur besonders bevorzugt als Karbon und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff GFK und/oder kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet CFK. Durch die bevorzugte starre Anordnung der elektrischen Spule im Gehäuse werden Relativbewegungen zwischen der Spule und dem Gehäuse wirkungsvoll verhindert. Dadurch kann eine Abnutzung von eventuell gegeneinander reibenden Bauteilen verhindert werden. Dies betrifft gegebenenfalls auch ein Kabel zum Anschluss der elektrischen Spule, worauf weiter unten näher eingegangen werden wird.
Die Schwingungen sind bevorzugt mechanische Schwingungen. Dies kann beispielsweise in einer Vibration des Aktuators zum Ausdruck kommen. Derartige Schwingungen können auf wenigstens ein Bauteil übertragen werden, welches dann ebenfalls entsprechende Schwingungen ausführt. Bevorzugt handelt es sich bei den Schwingungen des Aktuators um Schwingungen, welche insbesondere nach Übertragung auf wenigstens ein Bauteil Abstrahlung von Luftschallwellen bzw. zur Erzeugung von Schallwellen führen, welche sich dann über die Luft weiter ausbreiten. Insbesondere können die Schwingungen Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz haben, was in etwa einem typischen menschlichen Hörbereich entspricht.
Bevorzugt weist der Aktuator einen elektrischen Anschluss, beispielsweise mittels Steck- oder Klemmverbindung, auf, welcher vollständig oder teilweise in das Gehäuse integriert sein kann und mit der Spule elektrisch verbunden ist. Hierfür kann beispielsweise ein Kabel verwendet werden. Dieses kann eine elektrische Verbindung zwischen Anschluss und Spule ausbilden. Ein solches Kabel kann beispielsweise auch verwendet werden, um den elektrischen Anschluss vom Gehäuse entfernt anzuordnen.
Vorteilhaft ist der elektrische Anschluss starr mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch kann insbesondere eine Relativbewegung zwischen elektrischem Anschluss und Gehäuse verhindert werden, was Abnutzungen vermeiden kann.
Bevorzugt ist eine elektrische Verbindung zwischen elektrischem Anschluss und Spule vollständig am Gehäuse fixiert. Dadurch kann eine Relativbewegung zwischen der elektrischen Verbindung, beispielsweise einem Kabel, und dem Gehäuse wirkungsvoll verhindert werden. Dies vermeidet Reibung sowie Ermüdung der Materialien und damit Verschleiß bzw. Abnutzung.
Der Magnet kann vorzugsweise insbesondere mittels des von der Spule erzeugten Magnetfelds anregbar und/oder auslenkbar sein. Dadurch können Schwingungen erzeugt werden.
Der Magnet kann vorzugsweise in nur einer, im Gehäuse definierten Raumrichtung beweglich sein. Eine Raumrichtung kann dabei einer Kombination aus einer Richtung und einer dazu exakt entgegengesetzten Richtung entsprechen. Anders ausgedrückt kann der Magnet eindimensional entlang einer im Gehäuse definierten Achse bewegt werden.
Bevorzugt weist der Aktuator eine Federanordnung auf, welche dazu ausgebildet ist, den Magneten in eine Ruhelage vorzuspannen. Aus dieser Ruhelage kann der Magnet dann insbesondere mittels des bereits erwähnten, von der Spule erzeugten Magnetfelds ausgelenkt werden.
Die Federanordnung kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, den Magneten entlang jeder möglichen Bewegungsrichtung rückstellend auf die Ruhelage vorzuspannen. Bei den möglichen Bewegungsrichtungen kann es sich dabei beispielsweise um diejenigen Richtungen handeln, welche durch die bereits weiter oben erwähnte Raumrichtung definiert sind.
Bevorzugt weist die Federanordnung ein erstes Federelement und ein zweites Federelement auf, wobei der Magnet zwischen dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement gehalten wird. Das erste Federelement spannt dabei bevorzugt den Magneten in einer ersten Richtung vor. Das zweite Federelement spannt bevorzugt den Magneten in einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Richtung bzw. Orientierung vor. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Magnet wie weiter oben bereits erwähnt entsprechend einer Raumrichtung bzw. nur eindimensional bewegbar ist. Dann wird der Magnet durch die Federanordnung in beiden Richtungen vorgespannt. Alternativ vorzugsweise ist es auch möglich, nur ein Federelement zu verwenden, welches beispielsweise in einer oder auch in allen relevanten Richtungen eine Vorspannung erzeugen kann.
Bevorzugt weist das Federelement oder das erste Federelement eine Anzahl von Federarmen zum Vorspannen des Magneten auf. Auch das zweite Federelement weist bevorzugt eine Anzahl von Federarmen zum Vorspannen des Magneten auf. Eine solche Ausführung hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Der Magnet kann insbesondere an einer jeweiligen Stelle, an welcher die
Federarme Zusammenkommen, angebracht sein.
Die Federarme des ersten Federelements können bevorzugt sternförmig oder spiralförmig angeordnet sein. Auch die Federarme des zweiten Federelements können bevorzugt sternförmig oder spiralförmig angeordnet sein. In der Mitte einer solchen Sternform kann beispielsweise der Magnet befestigt werden, wobei sich die daraus ergebende Federwirkung als vorteilhaft erwiesen hat.
Zweckmäßigerweise ist die Anordnung der Federarme symmetrisch ausgebildet oder alternativ vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet, um Eigenschwingungen zu unterbinden. Die Asymmetrie ist dabei besonders bevorzugt als
Rotationsasymmetrie oder als Translationsasymmetrie ausgebildet.
Die Materialstärke bzw. Materialdicke der Federelemente kann vorzugsweise konstant oder insbesondere unterschiedlich dick ausgebildet sein. So ist es zweckmäßig, an verschiedenen Stellen der Federelemente verschiedene Dicken vorzusehen, um besondere Schwingungseigenschaften und besondere
Rückstellcharakteristiken der Feder zu erzielen. So kann ein Federelement durch eine Profilierung zum Beispiel eine stärker ausgeprägte progressive
Rückstellkennlinie erhalten.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein Federarm bzw. die Federarme und/oder zumindest ein Federelement profiliert ausgeführt, um die Steifigkeit und die
Schwingungseigenschaften weiter zu verbessern. Die Profilierung ist dabei besonders bevorzugt durch wenigstens eine Rippe und/oder wenigstens eine Sicke und/oder wenigstens eine Kante und/oder wenigstens eine Wölbung ausgeführt, ganz besonders bevorzugt für jeden Federarm und/oder jedes Federelement.
Bevorzugt sind das erste Federelement und das zweite Federelement innerhalb des Gehäuses größtmöglich voneinander entfernt und/oder an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeordnet. Dadurch kann eine bestmögliche Erzeugung der Federkraft insbesondere dahingehend erreicht werden, dass eine Lage des Gehäuses frei gewählt werden kann. Der Magnet wird in jeder beliebigen Lage des Gehäuses relativ zur Erdoberfläche oder zu einem sonstigen externen Element in geeigneter Weise in seine Ruhelage vorgespannt und kann ohne Einschränkung wie vorgesehen durch das Magnetfeld ausgelenkt werden. Die größtmögliche Entfernung kann sich dabei insbesondere auf die weiter oben bereits erwähnte Raumrichtung beziehen, welche eine axiale Bewegung des Magneten angibt.
Die Federelemente können beispielsweise aus Kunststoffen, Metallen oder Kompositmaterialien ausgebildet sein. Dadurch kann das akustisch Verhalten beeinflusst werden. Insbesondere das Dämpfungsverhalten der Federelemente kann hierdurch beeinflusst werden.
Besonders bevorzugt sind die Federelemente, insbesondere zusätzlich,
beschichtet, beispielsweise mit einem oder mehreren Kunststoff/en relativ hoher Dämpfung oder mit relativ massereichen Werkstoffen, um das
Eigenschwingverhalten der Federelemente zu bedämpfen und/oder zu verstimmen.
Der Magnet kann bevorzugt innerhalb der Spule beweglich sein. Durch die
Beweglichkeit innerhalb der Spule wird eine besonders gute Wirkung des von der Spule erzeugten Magnetfelds erreicht.
Bevorzugt weist der Aktuator einen Ring als Gehäuse oder Gehäuseteil auf, welcher die Spule umgibt und aus magnetisch leitendem und/oder wärmeleitendem Material ausgebildet ist. Durch eine Ausbildung aus magnetisch leitendem Material kann in bevorzugter Weise ein Magnetschluss seitlich zur Spule erzeugt werden. Die Wirkung des von der Spule erzeugten Magnetfelds wird dadurch erheblich verbessert.
Vorzugsweise ist das Gehäuse des Aktuators aus einem Material ausgebildet mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 25 W/(m K), insbesondere von
mindestens 40 W/(m K). Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Ableitung von im Inneren des Gehäuses entstehender Wärme ermöglicht. Diese Wärme kann insbesondere durch den durch die Spule fließenden Strom und eventuelle
Reibungseffekte aufgrund des sich bewegenden Magneten entstehen. Durch die Ausbildung aus wärmeleitendem Material kann diese Wärme bevorzugt abgeleitet werden, beispielsweise an mit dem Gehäuse verbundene Komponenten bzw. das anzuregende Bauteil. Eine Überhitzung des Aktuators wird dadurch in vorteilhafter Weise verhindert.
Das Gehäuse des Aktuators weist vorzugsweise eine Wärmekapazität von mindestens 0,08 kJ/K, insbesondere von mindestens 0, 1 kJ/K auf. Durch diese besonders hohe spezifische Wärmekapazität können durch temporäre Lastspitzen entstehender hoher Wärmeeintrag durch die Spule aufgenommen werden.
Die feste Anbindung der Spule an das Gehäuse kann vorzugsweise durch eine Klebeverbindung aus thermisch relativ hoch leitfähigem Kleber hergestellt werden. Der Kleber weist dabei eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,8 W/(m K), insbesondere mindestens 1 W/(m K) auf. Die Schichtdicke des Klebers beträgt dabei zweckmäßigerweise maximal 0,3 mm, insbesondere unter 0, 1 mm. Somit ist eine effiziente Wärmeabfuhr von der Spule ins Gehäuse sichergestellt.
Es ist bevorzugt, dass der Spulenträger der fest an das Gehäuse angebundenen Spule aus einem thermisch relativ hoch leitfähigen Werkstoff mit einer
Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,8 W/(m K), insbesondere mindestens
1 W/(m K) ausgebildet ist, um eine effiziente Wärmeabfuhr von der Spule ins Gehäuse sicherzustellen. Es ist bevorzugt, dass die innere Oberfläche des Gehäuses, die mittels
Klebeverbindung mit der Spule und/oder dem Spulenträger verbunden ist, ist strukturiert und/oder profiliert ausgebildet ist. Dabei weist die innere Oberfläche bzw. die Oberfläche des Innenraums des Gehäuses, insbesondere in dem Bereich, in welchem Sie mit der Spule und/oder dem Spulenträger verbunden ist
beispielsweise Rechteckprofile und/oder Dreieckprofile und/oder Sinusprofile und/oder Kreisbogenprofile als Oberflächenstrukturierung auf, um mittels einer Vergrößerung der Kontaktoberfläche eine effiziente Wärmeabfuhr von der Spule in das Gehäuse sicherzustellen. Zusätzlich oder alternativ können auf der Außenseite des Gehäuses zweckmäßigerweise weitere Profilierungen/Rippen aufgebracht sein, die einen verbesserten Wärmeübergang in die Umgebung sicherstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Gehäuse an einem bezüglich der Spule ersten axialen Ende eine erste Abdeckkappe auf. Diese kann insbesondere aus Kunststoff, aus einem nicht magnetisch leitenden und/oder aus einem nicht wärmeleitenden Material oder aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet sein. Ebenso kann das Gehäuse an einem bezüglich der Spule zweiten axialen Ende eine zweite Abdeckkappe aufweisen. Auch diese kann insbesondere aus
Kunststoff, aus einem nicht magnetisch leitenden und/oder aus einem nicht wärmeleitenden Material oder aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet sein.
Durch die besonders bevorzugte Ausbildung einer jeweiligen Abdeckkappe aus nicht magnetisch leitendem Material kann ein Magnetfluss ganz oder teilweise im Gehäuse gehalten werden, was beispielsweise Störungen anderer Komponenten verhindert. Durch die Ausbildung aus nicht wärmeleitendem Material kann eine Wärmeabgabe des Aktuators an ein kontaktierendes Element verhindert oder verringert werden.
Vorzugsweise werden als nicht wärmeleitende, nicht magnetisch leitende
Materialien Kunststoffe wie PA6 (Polyamid 6), ABS
(Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) oder PP (Polypropylen) verwendet. Insbesondere kann ein dreiteiliger Aufbau des Gehäuses, d.h. mit einem Ring und zwei Abdeckkappen, vorgesehen sein.
Eine jeweilige Abdeckkappe kann jedoch beispielsweise auch wärmeleitend ausgeführt sein. Insbesondere kann sie gleichzeitig nicht magnetisch leitend ausgeführt sein. Dadurch kann eine Wärmeabgabe an ein anderes Element herbeigeführt werden, was einer Überhitzung des Aktuators vorbeugt.
Beispielsweise kann als wärmeleitendes und nicht magnetisch leitendes Material Aluminium oder Magnesium verwendet werden.
Bevorzugt weist das Gehäuse eine von außen zugängliche Bohrung mit einem Innengewinde oder ein anderes, von außen zugängliches Befestigungsmittel auf. Ein solches Befestigungsmittel kann beispielsweise auch als Durchgangsloch ohne Gewinde oder auf andere geeignete Art ausgeführt sein. Dadurch kann das Gehäuse beispielsweise starr an einem anderen Element als dem bereits erwähnten Bauteil des Kraftfahrzeugs zusätzlich befestigt werden, beispielsweise an einer Karosserie oder an einem Boden des Kraftfahrzeugs. Dadurch kann eine Referenz zu einem anderen Element, insbesondere einem starreren Element, hergestellt werden, so dass das Bauteil in vorteilhafter Weise angeregt werden kann.
Bevorzugt weist der Magnet eine Masse auf, welche in einem Bereich zwischen 80% der Masse der anderen Komponenten des Aktuators und 120% der Masse der anderen Komponenten des Aktuators liegt. Derartige Werte haben sich
insbesondere unter akustischen Gesichtspunkten als vorteilhaft herausgestellt.
Das Gehäuse kann bevorzugt vollständig oder im Wesentlichen radialsymmetrisch ausgeführt sein. Dies hat sich als einfach herzustellende und zu verwendende Ausführung erwiesen. Auch andere Ausführungen, beispielsweise eine viereckige, quadratische, rechteckige oder eine Ausführung mit einer sonstigen Anzahl von Ecken sind jedoch möglich. Das Gehäuse kann beispielsweise geschlossen, offen oder teilweise offen ausgeführt sein. Durch eine geschlossene Ausführung kann insbesondere erreicht werden, dass ein gewisser Schutz gegen das Eindringen von Staub, Flüssigkeiten oder anderen Verunreinigungen realisiert wird.
Bevorzugt weist der Magnet einen magnetischen Mittelteil, eine erste Polplatte und eine zweite Polplatte auf. Der Mittelteil ist dabei bevorzugt von der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte umgeben. Der magnetische Mittelteil kann dabei insbesondere entlang einer einzig möglichen Bewegungsrichtung des Magneten bzw. der Raumrichtung zwischen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte angeordnet sein. Derartige Ausführungen haben sich als vorteilhaft erwiesen.
Die erste und/oder zweite Polplatte sind bevorzugt dem Magneten zugeordnet, insbesondere auf zwei gegenüberliegenden Seiten, der Magnet zwischen den Polplatten, besonders bevorzugt mittig, im unausgelenkten Zustand des Aktuators.
Die nach außen gerichtete, also vom Magneten abgewandte, Fläche einer zweckmäßigen ersten Polplatte, wobei die Polplatte dem Magneten zugeordnet ist, ist bevorzugt konkav ausgebildet, insbesondere hinsichtlich ihres Querschnitts, sodass sie am äußeren Rand eine größere Dicke aufweist als in ihrer Mitte. Der Übergang zwischen dem dickeren, äußeren Rand und dem dünneren Mittelteil ist dabei insbesondere linear abfallend oder kreisbogenförmig abfallend oder parabelförmig abfallend ausgebildet. Weiterhin weist die Polplatte entlang ihres äußeren Rands, insbesondere des äußeren Rands der nach außen gerichteten Fläche, besonders bevorzugt einen Kragen auf, insbesondere im Wesentlichen konstanter Dicke, der bis zu 20% der Gesamtausdehnung der Polplatte aufweisen kann. Die zum Magneten hin ausgerichtete Fläche der ersten Polplatte ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen plan ausgebildet.
Ebenso ist bevorzugt eine zweite Polplatte auf ihrer nach außen gerichteter Seite wie die erste Polplatte auf deren nach außen gerichteter Fläche ausgeformt.
Insbesondere ist auch bei der zweiten Polplatte die zum Magneten hin
ausgerichtete Seite bzw. Fläche im Wesentlichen plan. Durch eine solche Ausführung kann einerseits erreicht werden, dass die Magnetische Flussdichte im äußeren Bereich der Polplatten höher wird und andererseits ein jeweiliges angrenzendes Federelement näher an der Polplatte angeordnet sein kann.
Dadurch kann insgesamt Bauraum eingespart werden.
Die erste und/oder zweite Polplatte sind zweckmäßigerweise hinsichtlich ihrer nach Außen gerichteten Fläche so ausgebildet, dass sie in deren Mitte eine im
Wesentlichen plane Teilfläche bzw. ein Plateau aufweisen.
Es ist zweckmäßig, dass die erste und/oder die zweite Polplatte auf der dem Magneten zugewandten Seite im Wesentlichen plan ausgebildet ist und dabei die dem Magneten abgewandte bzw. äußere Seite hinsichtlich ihres Querschnitts konkav ausgebildet ist und somit der gesamte Querschnitt der Polplatte konkav ausgebildet ist. Die äußere Seite der ersten und/oder die zweiten Polplatte weist dabei insbesondere am umlaufenden Rand einen Kragen auf, an welchem die Polplatte eine größere Dicke bzw. Materialstärke aufweist als in der Mitte, wobei im Bereich der Mitte der äußeren Seite die Polplatte/n , insbesondere jeweils, ein im Wesentlichen planes Plateau aufweist/aufweisen. Der Übergang zwischen Kragen und Plateau ist dabei besonders bevorzugt ausgestaltet als ein linearer Übergang oder ein kreisbogenförmiger oder ein parabelförmiger Übergang oder eine
Kombination aus zwei oder drei dieser Übergangsformen.
Der Magnet oder der magnetische Mittelteil kann beispielsweise aus einer
Neodymlegierung oder aus einer Ferritlegierung bestehen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren bevorzugt eine Bauteilanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Bauteilanordnung zumindest ein Bauteil für das
Kraftfahrzeug sowie einen Aktuator gemäß der Erfindung aufweist. Der Aktuator ist dabei starr mit dem Bauteil verbunden. Hinsichtlich des Aktuators kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Mittels der bevorzugten und/oder erfindungsgemäßen Bauteilanordnung ist eine einfache Anregung des Bauteils mit Schallwellen erzeugenden Schwingungen möglich, so dass das Bauteil im Rahmen eines Systems zur Audiowiedergabe im Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Im Vergleich zu einem separaten
Lautsprecher, welcher typischerweise eine separate Membran benötigt, erheblich platzintensiver ist und schwerer ist, ermöglicht die erfindungsgemäße
Bauteilanordnung eine erhebliche Einsparung von Platz und Gewicht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung aufweist. Hinsichtlich der Bauteilanordnung und insbesondere hinsichtlich des darin enthaltenen Aktuators kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Die weiter oben bereits beschriebenen Vorteile können damit erreicht werden, insbesondere kann das Kraftfahrzeug im Vergleich zu Ausführungen mit konventionellen
Lautsprechern ein erhöhtes Platzangebot und/oder ein niedrigeres Gewicht aufweisen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines Aktuators, insbesondere eines erfindungsgemäßen Aktuators, in einem Kraftfahrzeug. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Aktuators kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Allgemein kann ein Aktuator oder Schwingungsanreger beschrieben werden, welcher nicht selbst Schall abstrahlt, sondern vorhandene Strukturen im Fahrzeug anregt. Durch diese Anregung wird die Struktur in Schwingung versetzt, woraufhin sie selbst Schall abstrahlt. Der Aktuator ist, verglichen mit einem äquivalenten Subwoofer, typischerweise um etwa einen Faktor 5 bis 10 kleiner und um einen Faktor 2 bis 5 leichter.
Aktuatoren, Tiefenaktuatoren bzw. Schwingungsanreger, wie sie hierin beschrieben wurden, können beispielsweise bevorzugt folgende Merkmale aufweisen, welche einzeln oder kombiniert zur Anwendung kommen können:
Die Spule des Aktuators ist direkt mit dem äußeren Gehäuse verbunden, beispielsweise geklebt oder auf andere Weise verbunden, wobei der Magnet typischerweise innenliegend ist, beispielsweise im Inneren des
Spulendurchmessers, und typischerweise beweglich gelagert ist.
Ein äußerer Ring als Gehäuse oder Gehäuseteil, an dem die Spule beispielsweise befestigt sein kann, kann aus einem wärmeleitenden Metall oder Material bestehen, wobei der Ring beispielsweise einen magnetischen Flusskreis schließen kann und darüber hinaus die entstehende Wärme der Spule nach außen ableiten kann und an der äußeren Seite an die Umgebung abgeben kann.
Der Aktuator kann an unterschiedlichsten Positionen im und außerhalb des Fahrzeugs verbaut werden. Vorzugsweise kann er an Blechstrukturen wie beispielsweise einem Bodenblech, an einem Türstrukturblech, an einem Kofferraumdeckel, einer Reserveradmulde, einer Dachstruktur, einem Querträger, einem Kotflügel, einem Längsträger, einer Stirnwand oder an anderen Bauteilen eines Kraftfahrzeugs angebracht werden.
Der Aktuator kann in allen Raumrichtungen positionierbar sein mit gleicher Eignung. Dies kann insbesondere ermöglicht werden durch eine Zentrierung des Magnetsystems bzw. des Magneten an möglichst weit voneinander entfernt liegenden Ebenen.
Die Zentrierung und die Federung des Magnetsystems können in einem Bauteil ausgeführt sein, das aus verschiedenen Materialien bestehen kann wie beispielsweise Kunststoffen, Metallen oder Kompositmaterialien, wodurch das akustische Verhalten beeinflusst oder optimiert werden kann. Der Aktuator kann ein von oben nach unten durchgängiges Mittelloch aufweisen, um den Aktuator an einem Bolzen mittig befestigen zu können. Die Masse des beweglichen Magnetsystems bzw. Kerns kann
beispielsweise etwa ±20% der Masse des äußeren Kerns bzw. der sonstigen Komponenten des Aktuators betragen. Dadurch kann der Aktuator sowohl oberhalb als auch unterhalb seiner eigenen Resonanzfrequenz betrieben werden.
Das Aktuatorgehäuse kann grundsätzlich in verschiedenen Formen ausgeführt werden, jedoch kann eine symmetrische Ausführung vorteilhaft für die Montage und auch die Herstellung sein. Materialien können beispielsweise verschieden ausgeführt sein. Der Magnet kann beispielsweise aus einer Neodymlegierung oder auch aus einer Ferritlegierung bestehen. Weiterhin kann das Gehäuse offen oder teiloffen ausgeführt sein. Eine Anbindung des Aktuators kann abgesehen von dem bereits erwähnten Mittelloch auch über eine außenliegende Befestigung oder eine Klebe- oder Schweißverbindung erfolgen. Ebenfalls ist ein Aufbau denkbar, bei dem das Magnetsystem nicht vollständig innerhalb des
Spulendurchmessers liegt, wobei die Spule auch teilweise vom Magneten umschlossen werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 : einen Aktuator in einer seitlichen Explosionsansicht,
Fig. 2: den Aktuator in einer perspektivischen Explosionsansicht,
Fig. 3: den Aktuator in einem zusammengebauten Zustand,
Fig. 4: eine alternative Ausführung eines Federelements,
Fig. 5: einen beispielhaften Querschnitt einer Polplatte.
Fig. 1 zeigt einen Aktuator 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer seitlichen Explosionsansicht.
Der Aktuator 5 weist ein Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 wird gebildet durch eine erste Abdeckkappe 12, eine zweite Abdeckkappe 16 und einen Ring 14. Die beiden Abdeckkappen 12, 16 sind dabei außenseitig angeordnet und bestehen aus nicht wärmeleitendem, nicht magnetisch leitendem Material. Es sei erwähnt, dass eine oder beide dieser beiden Abdeckkappten 12, 16 jedoch beispielsweise auch aus wärmeleitendem, nicht magnetisch leitendem Material bestehen könnten. Der Ring 14 besteht aus wärmeleitendem, magnetisch leitendem Material.
Der Aktuator 5 weist eine Federanordnung 20 auf, welche durch ein erstes
Federelement 22 und ein zweites Federelement 24 gebildet wird. Auf deren Ausführung wird weiter unten näher eingegangen werden.
Der Aktuator 5 weist eine Spule auf, welche durch einen Spulenträger 32, einen ersten Spulenabschnitt 34 und einen zweiten Spulenabschnitt 36 gebildet wird. Die beiden Spulenabschnitte 34, 36 sind dabei auf den Spulenträger 32 aufgebracht. Durch die Spulenabschnitte 34, 36 kann elektrischer Strom fließen, so dass in der Spule 30 ein Magnetfeld erzeugt wird.
Der Aktuator 5 weist einen Magneten 40 auf. Dieser wird gebildet durch einen magnetischen Mittelteil 42 sowie eine erste nicht magnetische Polplatte 44 und eine zweite nicht magnetische Polplatte 46. Der Mittelteil 42 ist dabei zwischen den beiden Polplatten 44, 46 aufgenommen.
Zur Befestigung der erwähnten Komponenten dienen zwei Sätze von jeweils vier Schrauben 18, 19. Alternativ wäre beispielsweise auch eine Befestigung durch Kleben, Schweißen oder Vernietung möglich.
Fig. 2 zeigt den Aktuator 5 in einer perspektivischen Explosionsansicht. Dabei ist zu erkennen, dass das erste Federelement 22 eine Anzahl von insgesamt vier Federarmen 26 aufweist. Dementsprechend weist das zweite Federelement 24 eine Anzahl von insgesamt vier Federarmen 28 auf.
Der Magnet 40 ist im zusammengebauten Zustand derart ausgeführt, dass die beiden Polplatten 44, 46 unmittelbar an den magnetischen Mittelteil 42 angrenzen. Der Magnet 40 wird dann als Ganzes von den beiden axial benachbarten
Federelementen 22, 24 gehalten. Dadurch ist der Magnet 40 lediglich in einer axialen Richtung beweglich, wobei er durch die Federelemente 22, 24 in eine mittige Ruhelage vorgespannt wird. Wie gezeigt sind die Polplatten 44, 46 auf ihrer jeweils nach außen gerichteten Fläche konkav gewölbt ausgeführt. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung des Magneten 40 zwischen den Federelementen 22, 24 und erlaubt eine besonders hohe magnetische Flussdichte im Randbereich der Polplatten.
Im zusammengebauten Zustand umgibt die Spule 30 den Magneten 40 radial. Die Spule 30 ist dabei fest im Gehäuse 10 fixiert. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Spule 30 kann der Magnet 40 aus seiner Ruhelage ausgelenkt werden, wodurch Schwingungen entstehen. Insbesondere kann hierbei eine Spannung angelegt werden, welchem ein Audiosignal aufmoduliert ist.
Entsprechend dieses Audiosignals schwingt dann der Magnet 40 und erzeugt dementsprechende Schwingungen. Der Ring 14 aus magnetisch leitendem Material dient dabei zum Vorsehen eines vorteilhaften Magnetschlusses.
Zur Definition der axialen Richtung, entlang welcher der Magnet 40 beweglich ist, dienen ein erster zylinderartiger Vorsprung 13, welcher sich von der ersten
Abdeckkappe 12 aus nach innen erstreckt, und ein zweiter zylindrischer Vorsprung 17, welcher sich von der zweiten Abdeckkappe 16 aus nach innen erstreckt.
Fig. 3 zeigt den Aktuator 5 im zusammengebauten Zustand. Dabei ist zu erkennen, dass an der ersten Abdeckkappe 12 außenseitig drei zylinderförmige Anlagestellen 7 angeordnet sind. Mit diesen kann der Aktuator 5 an ein Bauteil eines
Kraftfahrzeugs angrenzen. Des Weiteren ist mittig eine Bohrung 8 angeordnet, in welcher ein Gewinde ausgebildet ist. Damit kann der Aktuator 5 an einem Bauteil befestigt werden. Entsprechend ist auch die zweite Abdeckkappe 16 ausgebildet.
Durch Befestigung bzw. Anlegen des Aktuators 8 an einem Bauteil eines
Kraftfahrzeugs können die bereits weiter oben erwähnten Schwingungen, welche der Magnet 40 erzeugen kann, auf das Bauteil übertragen werden. Das Bauteil kann auf diese Weise selbst zum Schwingen angeregt werden, was dazu führt, dass es Schallwellen abgibt. Diese Schallwellen sind typischerweise im Innenraum eines Fahrzeugs hörbar. Auf diese Weise kann ohne das Vorsehen eines separaten Lautsprechers Schall erzeugt werden, was sich insbesondere bei tiefen
Frequenzen anbietet und zu einer deutlichen Platz- und Gewichtseinsparung führt. Es sei erwähnt, dass beispielsweise die Bohrung 8 auch dazu verwendet werden kann, um den Aktuator 5 mit einem starren Bauteil wie beispielsweise einem Karosserieteil eines Fahrzeugs zu verbinden und der Aktuator 5 auf der
gegenüberliegenden Seite mit einem Bauteil, welches zu Schwingungen angeregt werden soll, verbunden werden kann. Auf diese Weise kann das feststehende Bauteil wie beispielsweise eine Karosserie des Fahrzeugs als Referenz dienen, relativ zu welcher die Schwingungen angeregt werden.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung eines Federelements, hier beispielhaft des ersten Federelements 22. Dieses kann im Rahmen der mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführung anstelle des dort gezeigten ersten Federelements 22 und/oder anstelle des dort gezeigten zweiten Federelements 24 verwendet werden.
Im Gegensatz zur sternförmigen Ausführung, welche in Fig. 2 zu sehen ist, sind die Federarme 26 des in Fig. 4 dargestellten Federelements 22 spiralförmig ausgeführt. Damit kann eine andere Federcharakteristik erreicht werden.
Fig. 5 zeigt schematisch eine beispielhaft Polplatte 44, 46 im Querschnitt. Die Polplatte ist bespielhaft auf der dem nicht dargestellten Magneten zugewandten Seite im Wesentlichen plan ausgebildet 61 . Die dem Magneten abgewandte bzw. äußere Seite bzw. Fläche 62 ist konkav ausgebildet und somit der gesamte
Querschnitt der Polplatte konkav. Die äußere Seite weist am umlaufenden Rand einen Kragen 63 auf, an welchem die Polplatte eine größere Dicke bzw.
Materialstärke aufweist als in der Mitte. Wobei im Bereich der Mitte der äußeren Seite die Polplatte ein im Wesentlichen planes Plateau 64 aufweist. Der Übergang 65 zwischen Kragen 63 und Plateau 64 kann dabei verschiedenartig ausgestaltet sein, beispielhaft sind ein linearer Übergang, ein kreisbogenförmiger und ein parabelförmiger Übergang veranschaulicht, auf der linken Seite.
Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der
Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder
Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende
Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der
rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger
erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Aktuator (5) zum Anregen wenigstens eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs mit Schwingungen,
wobei der Aktuator (5) folgendes aufweist:
ein Gehäuse (10), welches dazu ausgebildet ist, mit dem Bauteil verbunden zu werden,
eine elektrische Spule (30), welche starr mit dem Gehäuse (10) verbunden ist und dazu ausgebildet ist, bei Durchfließen eines elektrischen Stroms ein Magnetfeld zu erzeugen, und
einen Magneten (40), welcher in dem Gehäuse (10) begrenzt beweglich angeordnet ist.
2. Aktuator (5) nach Anspruch 1 ,
wobei der Aktor wenigstens eine erste Polplatte (44,46) aufweist, welche dem Magneten zugeordnet ist, wobei die nach außen gerichtete, also vom Magneten abgewandte, Fläche (62) einer ersten Polplatte konkav
ausgebildet ist, sodass sie am äußeren Rand eine größere Dicke aufweist als in ihrer Mitte.
3. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Polplatte (44,46) entlang ihres äußeren Rands einen Kragen (63) aufweist, insbesondere im Wesentlichen konstanter Dicke, der bis zu 20% der Gesamtausdehnung der Polplatte aufweisen kann.
4. Aktuator (5) nach Anspruch 2 oder 3,
wobei die zum Magneten hin ausgerichtete Fläche der ersten Polplatte (61 ) im Wesentlichen plan ausgebildet ist.
5. Aktuator (5) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei die erste und/oder eine zweite Polplatte (44,46) hinsichtlich ihrer nach Außen gerichteten Fläche (62) so ausgebildet sind, dass sie in deren Mitte eine im Wesentlichen plane Teilfläche und/oder ein Plateau (64) aufweisen.
6. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Gehäuse des Aktuators (10) eine Wärmekapazität von
mindestens 0,08 kJ/K, insbesondere von mindestens 0,1 kJ/K aufweist.
7. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Spule eine feste Anbindung an das Gehäuse durch eine
Klebeverbindung aus thermisch relativ hoch leitfähigem Kleber aufweist, wobei dieser Kleber dabei eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens
0,8 W/(m K), insbesondere mindestens 1 W/(m K) aufweist.
8. Aktuator (5) nach Anspruch 7,
wobei die Schichtdicke des Klebers dabei maximal 0,3 mm, insbesondere unter 0,1 mm beträgt.
9. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die innere Oberfläche des Gehäuses, die mittels Klebeverbindung mit der Spule und/oder dem Spulenträger verbunden ist, strukturiert und/oder profiliert ausgebildet ist.
10. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welcher eine Federanordnung (20) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den Magneten (40) in eine Ruhelage vorzuspannen, wobei die
Federanordnung (20) dazu ausgebildet ist, den Magneten (40) entlang jeder möglichen Bewegungsrichtung rückstellend auf die Ruhelage vorzuspannen.
11. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Federanordnung (20) ein erstes Federelement (22) und ein zweites Federelement (24) aufweist,
wobei der Magnet (40) zwischen dem ersten Federelement (22) und dem zweiten Federelement (24) gehalten wird,
wobei das erste Federelement (22) den Magneten (40) in einer ersten Richtung vorspannt und das zweite Federelement (24) den Magneten (40) in einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Richtung vorspannt, insbesondere wobei das erste Federelement (22) eine Anzahl von
Federarmen (26) zum Vorspanen des Magneten (40) aufweist, und/oder das zweite Federelement (24) eine Anzahl von Federarmen (28) zum
Vorspannen des Magneten (40) aufweist.
12. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Federelemente (22, 24) aus einem Kompositmaterial ausgebildet sind.
13. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Federelemente (22, 24), insbesondere zusätzlich, beschichtet ausgebildet sind, beispielsweise mit einem oder mehreren Kunststoff/en relativ hoher Dämpfung oder mit relativ massereichen Werkstoffen, um das Eigenschwingverhalten der Federelemente (22, 24) zu bedämpfen und/oder zu verstimmen.
14. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Anordnung der Federarme (26) symmetrisch ausgebildet oder alternativ vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet, um Eigenschwingungen zu unterbinden.
15. Aktuator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Federarme (26) profiliert ausgeführt sind, um die Steifigkeit und die Schwingungseigenschaften weiter zu verbessern wobei die Profilierung dabei insbesondere durch wenigstens eine Rippe und/oder wenigstens eine Sicke und/oder wenigstens eine Kante und/oder wenigstens eine Wölbung ausgeführt ist.
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