用于清洁被液体覆盖的载体构件的装置

1.本发明涉及通过超声表面波使在载体上、特别是在运动中的载体上的液体、特别是液滴、旋涡或液体膜移位的方法。


背景技术：

2.在各种领域中，需要克服与液体在表面上的积聚有关的影响。
3.旋转液滴以将它们从表面去除是已知的做法。然而，这种技术不适合于面积大于几平方厘米的表面。
4.实施电场以控制表面的疏水性也是已知的，例如从kr 2018 0086173a1可知。这种以首字母缩写词ewod(用于装置的电润湿)简称的技术在于在两个电极之间施加电位差，从而使表面电极化以使表面亲水，从而使液滴从表面脱离。通过控制极化的位置，液滴可以移位。然而，这种技术只能用特定的材料来实施，并且需要在希望控制润湿特性的整个表面上特别精确地定位电极。
5.对液体施加机械力也是众所周知的做法，例如在机动车辆的挡风玻璃上使用挡风玻璃雨刷。然而，挡风玻璃雨刷限制了驾驶员可看到的视野。它还会扩散沉积在挡风玻璃表面的油性颗粒。此外，雨刮饰件需要定期更换。
6.此外，自动驾驶机动车辆具有大量传感器，以确定与道路上的其他车辆的距离和速度。此类传感器(例如激光雷达)也会受到恶劣天气和泥浆飞溅的影响，需要经常清洁。然而，雨刷不适合清洁这种传感器的小区域。
7.用于去除积聚在载体上的液体的方法是已知的，其包括超声表面波的产生及超声表面波通过载体的传播。特别地，wo 2012/095643 a1描述了一种通过超声蒸发从挡风玻璃上去除雨滴的方法。选择振动的幅度和频率，使得落在挡风玻璃上的雨滴一进入挡风玻璃表面的振动区域就被蒸发。然而，为了蒸发液滴、旋涡或膜，振动载体所需的功率水平很高，这限制了这些方法的实际实施，特别是限制了针对自动装置的开发。众所周知，蒸发需要的能量水平高于使载体上的液滴移位所需的能量水平。


技术实现要素：

8.仍然需要对从被液体涂覆的载体上去除液体进行改进。
9.本发明旨在满足这种需要，并且它通过提出一种电声装置来实现这一点，该电声装置包括：
[0010]-载体，
[0011]-声波耦合到所述载体的至少两个波换能器，每个波换能器被配置为产生通过所述载体传播的超声表面波，由所述换能器产生的所述超声表面波的传播方向不同，
[0012]-控制单元，
[0013]
所述装置包括分析单元，所述分析单元被配置为在液体与所述载体接触时估计施加到所述液体的外力的取向，和/或所述装置被配置为接收所述外力的取向的估计，
[0014]
所述控制单元被配置为基于所述外力的取向的估计来控制所述换能器中的至少一个换能器，使得由一个或多个超声表面波与所述液体之间的相互作用产生的施加到液体的声力以预定指向取向。
[0015]
本发明通过将外力的作用和声力的作用结合来促进液体在载体上的移位。
[0016]
所谓“外力”是指声力以外的任何力。液体的重量或由流体在液体上流动引起的空气动力都是外力的示例。
[0017]
本领域技术人员能够容易地确定施加到布置在载体上的液体的、由换能器产生的表面波引起的声力的取向。在平面表面波的情况下，声力沿着与平面波相关的波矢量取向。在聚焦表面波的情况下，液体朝向换能器的焦点移位。液体移位在原点处的影响可能是非线性的。因此，声力可以基本上与辐射的声波的强度和向换能器供电的电流的强度成比例。
[0018]
控制单元特别可以包括：
[0019]-存储模块，例如闪存，在所述存储模块中例如以表格的形式记录声力的一组取向和用于控制换能器的电流的相关特性，以及
[0020]-合成模块，所述合成模块被配置为将估计的外力的取向与记录在存储模块中的所述声力的一组取向进行比较，并为换能器提供相关的控制电流。
[0021]
优选地，控制单元被配置为控制一个或多个换能器，以使投射到载体上的声力的取向与投射到载体上的外力的估计的取向之间的角度最小化，以促进载体上的液体的移位。因此加速了从载体的表面去除液体。
[0022]
控制单元可以被配置为选择那些产生的超声表面波以接近于投射到载体上的外力的指向取向的换能器。所谓“接近的指向”，是指外力的方向与波传播指向之间的角度小于90
°
，甚至小于45
°
。控制单元可以被配置为控制这样选择的每个换能器，使得由相应换能器产生的波的声能成比例于投射到载体上的外力与波的传播指向之间的角度。
[0023]
优选地，控制单元被配置为控制一个或多个换能器，使得投射到载体上的声力的取向基本上平行于投射到载体上的外力的取向。
[0024]
控制单元可以包括多个开关，每个开关被配置为电力断开或闭合用于相应换能器的供电电路。
[0025]
控制单元可以包括电力放大装置，该电力放大装置被配置为放大提供给换能器之一的电流。特别地，控制单元可以被配置为使得至少两个所述换能器产生不同幅度的超声表面波。
[0026]
为了确保载体表面上的液体的最佳移位，由至少一个换能器或甚至每个换能器产生的超声表面波的基频优选地在0.1mhz和1000mhz之间，优选地在10mhz和100mhz之间，例如等于40mhz。
[0027]
由至少一个换能器或甚至由每个换能器产生的超声表面波的幅度可以在1皮米和500纳米之间。该幅度可能特别取决于波的基频。该幅度对应于超声表面波在其上传播的载体表面上的法向位移，并且可以使用激光干涉法进行测量。
[0028]
超声表面波可以是瑞利波或兰姆波。特别是，当载体的厚度大于超声表面波的波长时，它可以是瑞利波。瑞利波是优选的，因为波的能量集中在它在其上传播的载体的表面上，并因此可以被有效地传输到液体。
[0029]
分析单元被配置为当液体布置在载体上时估计施加到液体的外力的取向。
[0030]
优选地，所述装置包括连接到分析单元并被配置为测量至少一个物理量的测量单元。该测量单元被配置为接收物理量，特别是以高于1hz，或甚至高于10hz，例如等于50hz的频率接收物理量。
[0031]
物理量可以表征载体。例如，物理量可以选自载体相对于参考系的速度以及载体在参考系中的位置和/或取向。例如，物理量是包括电声装置的机动车辆的速度。
[0032]
参考系可以是绝对参考系。所谓“绝对参考系”是指在其中可以明确定义物体在地球上的位置的测地线参考系。绝对参考系可选自以下：法国大地测量网(r
é
seau g
é
od
é
sique)1993(rgf93)、世界大地测量系统(wgs84)、国际陆地旋转服务(itrs)和欧洲陆地参考系统(etrs)。
[0033]
测量单元可以通过电缆连接到分析单元。作为一个变型，测量单元和分析单元之间的连接可以通过经由电磁波的连接实现。
[0034]
电声装置可以包括测量单元。根据另一变型，测量单元可以远离所述电声装置。
[0035]
例如，载体为机动车辆的表面，测量单元布置在变速箱内并被配置为将电机/引擎轴转速转换为车速，或者布置在车辆的车轮内并被配置为测量车轮的转速并将其转换为车速。
[0036]
测量单元可以是被配置为测量载体的位置和/或取向的gps收发器。
[0037]
物理量可以表征液体。例如，物理量可以是覆盖载体的液体的面积或液体的厚度。
[0038]
物理量还可以表征载体的环境。例如，当载体在参考系中移动时，物理量可以是围绕载体流动的流体(例如空气)的速度。能够测量流体速度的测量单元例如是可以安装在载体上的皮托管探头或mems传感器。
[0039]
优选地，所述装置包括多个如上所述的测量单元。
[0040]
此外，为了改进对外力取向的估计，所述装置可以包括通信模块，该通信模块被配置为与远程数据服务器通信并从该数据服务器接收气象信息，例如相对于载体的位置和/或取向的平均风速和/或平均风向。通信模块特别可以包括用于与数据服务器通信的电信装置，特别是蜂窝电信装置。
[0041]
优选地，分析单元被配置为通过数值估计模型来估计外力的取向，该数值估计模型将物理量、载体相对于水平面的取向、以及可选地由通信模块提供的气象信息作为输入数据。
[0042]
作为一个变型或另外地，通信模块可以配置为与至少一个其他远程装置通信，该远程装置具有分析单元，该分析单元被配置为估计施加到液体的外力的取向，通信模块还被配置为从所述其他装置的分析单元接收外力的取向的估计。
[0043]
所述装置和所述其他装置可以间隔开大于1m，或者甚至大于5m，和/或小于1km，或者甚至小于100m。
[0044]
例如，所述装置安装在一机动车辆上，而所述其他装置安装在另一机动车辆上。车辆可以遵循共同的路径，并且安装在该路径上游的车辆上的装置可以将外力的估计传输到安装在下游的车辆上的装置。
[0045]
本领域技术人员知道如何按照常规开发这样的估计模型。例如，在载体由车辆承载或者载体是车辆表面的一个变型中，本领域技术人员可以基于风洞中的空气动力学测试来确定以确定的速度移动的车辆的包络线的各个区域中的气流轨迹。本领域技术人员还可
以确定每个所述区域中气流的局部速度，从而计算施加到每个区域中的液体的力的估计。
[0046]
例如，分析单元可以根据测量的车速、由gps收发器发送的车辆的取向、以及从数据服务器获得的平均风速和平均风向，来估计施加到载体(诸如挡风玻璃或车辆传感器的保护构件)的外表面上的液体(例如雨滴)的外力的取向。
[0047]
特别是，由超声表面波引起的液体的移位可以由声流效应和/或由一个或多个超声表面波引起的辐射压力效应而产生。
[0048]
液体可以采取至少一个液滴的形式，或可以是具有不同大小的多个液滴的形式。液体可以采取至少一层膜的形式，其可以是连续的或不连续的。所谓“膜”，是指形成在载体上的薄膜。液体可以为旋涡的形式。
[0049]
液体可以是含水的。特别是，它可以是雨水或露水。雨水和/或露水特别是可能包含油性颗粒。露水在载体表面形成雾。它是由于在合适的压力和温度条件下，空气中的水以蒸汽的形式在载体上冷凝而产生的。
[0050]
所述装置可以包括检测单元，该检测单元被配置为检测载体上液体的存在。例如，检测单元可以被配置为处理由摄像头获取的图像流并且检测摄像头何时被液体遮蔽。检测单元可以被配置为处理来自激光雷达(lidar)的信息流，以检测由液体引起的lidar范围的减小。
[0051]
此外，检测单元可以被配置为测量和分析由至少一个换能器发射的表面波，以检测与载体接触的液体的存在。例如，检测单元可以被配置为测量在载体上彼此相对布置的两个换能器之间传输的波。根据另一示例，所述装置可以被配置为使得换能器之一产生脉冲形式的超声波(例如方波或狄拉克脉冲)，并且如果液体与载体接触，则测量是否通过液体和脉冲之间的相互作用产生响应波。
[0052]
最后，表面波换能器本身可用于检测载体上液体的存在，该检测通过测量两个彼此面对的换能器之间的信号传输，或者通过发送脉冲并测量液体反射波所产生的回声。
[0053]
载体可以由能够传播超声表面波的任何材料制成。优选地，载体由这样的材料制成：材料中对超声表面波的吸收长度至少大于载体面积的10倍，或甚至至少大于100倍。
[0054]
纵向表面波在其上传播的载体的表面可以是平面的。如果表面的曲率半径大于超声表面波的波长，则它也可以是弯曲的。
[0055]
表面可以是粗糙的。它可以具有低于波长的粗糙度ra。
[0056]
载体特别可以采取平板的形式，或具有至少一个在特定方向上的曲率的板的形式。板的厚度可以小于10cm，或者小于1cm，或甚至小于1mm。板的长度可以长于1cm，或长于10m，甚至长于1m。
[0057]
所谓“载体的厚度”是指在垂直于超声波传播的表面的方向上测量的载体的最小尺寸。
[0058]
载体可以相对于水平面平坦地布置。作为一个变型，载体可以相对于水平面倾斜大于10
°
、或大于20
°
、或甚至大于45
°
、或甚至大于70
°
的角度α。载体可以竖直布置。
[0059]
载体可以是光学透明的，特别是对可见光范围内的光是光学透明的。因此，所述方法特别适合于寻求改善通过载体观察其环境的用户的视觉舒适度的应用。
[0060]
载体可由选自压电材料、聚合物(特别是热塑性塑料，特别是聚碳酸酯)、玻璃、金属和陶瓷的材料制成。
[0061]
优选地，载体由压电材料以外的材料制成。
[0062]
优选地，载体选自：
[0063]-机动车辆表面，例如选自车辆的挡风玻璃、后视镜的玻璃，或
[0064]-头盔的面罩，
[0065]-建筑物的窗户，
[0066]-光学装置的表面，所述光学装置例如选自照相机的镜头、眼镜镜片、传感器，特别是探头、例如皮托管探头或激光雷达，和
[0067]-这种传感器的保护元件。
[0068]
载体可以是飞行器的结构元件，例如机翼、机身或尾翼。
[0069]
所述装置包括至少两个换能器。为了更精确地定义声力的取向，该装置优选地包括至少三个，或甚至至少四个，更好地至少八个波换能器，这些波换能器优选地围绕垂直于介质的一个面的轴线规则地分布。
[0070]
优选地，所述装置包括至少两对，或者甚至至少三对，更好地至少四对换能器，同一对的换能器被布置成产生沿相同方向但不同的指向传播的超声表面波。优选地，同一对的换能器布置成在它们可能产生的波的传播方向上彼此面对。
[0071]
所述装置可以具有偶数个换能器。
[0072]
换能器可以附接并且优选地粘结到载体上。特别地，换能器可以布置在载体的边缘上。
[0073]
换能器可以至少部分地覆盖载体，特别是覆盖载体上具有液体的表面。
[0074]
至少一个换能器，或者甚至每个换能器，可以直接产生超声表面波。替选地，至少一个换能器，或者甚至每个换能器，可以产生超声导波，该超声导波在载体和换能器之间的界面处传播，然后沿着布置在与所述换能器相距一段距离的载体的一部分转换成超声表面波。
[0075]
至少一个换能器，或者甚至每个换能器，可以与载体或与布置在载体上的例如由粘合剂形成的中间层直接接触。
[0076]
优选地，至少一个换能器，优选每个换能器，包括分别形成第一梳状件和第二梳状件的第一电极和第二电极，第一梳状件和第二梳状件是叉指的并布置在载体上，和/或布置成与载体直接接触和/或与中间衬底接触，该中间衬底与载体接触，特别是布置在载体上，该衬底由压电材料制成。
[0077]
压电材料可以选自铌酸锂、氮化铝、锆钛酸铅、氧化锌及其混合物。压电材料可以对可见光范围内的光是不透明的。
[0078]
作为一个变型，载体由压电材料形成并且至少一个换能器包括所述载体。第一梳状件和第二梳状件则优选地布置成与载体接触。
[0079]
作为另一变型，载体由压电材料以外的材料制成并且电极布置在中间衬底上。
[0080]
可以使用光刻法将第一电极和第二电极沉积在载体上和/或衬底上。
[0081]
第一电极和第二电极可以夹在载体和衬底之间，衬底优选地具有为超声导波的基波波长的至少一倍或甚至至少两倍大的厚度。替选地，衬底可以夹在载体与第一电极和第二电极之间，并且优选地具有小于超声导波的基波波长的厚度。
[0082]
第一梳状件和第二梳状件可以优选地包括从其延伸出一排指状物的基部，这些指
状物优选地彼此平行。指状物的宽度可以在超声表面波的波长的八分之一和所述波长的一半之间，优选地等于所述波长的四分之一。指状物的宽度部分决定了超声表面波的基频。
[0083]
此外，第一梳状件或第二梳状件的一排的两个连续相邻指状物之间的间距可以在超声表面波的波长的八分之一和所述波长的一半之间，优选地等于所述波长的四分之一。
[0084]
第一梳状件的指状物的排和/或第二梳状件的指状物的排可各自包括多于两个指状物，或者甚至多于10个指状物，或者甚至多于40个指状物。增加指状物的数量会增加换能器的质量因数。
[0085]
衬底可以是例如通过化学气相沉积或通过溅射而沉积在载体上的薄层。作为一个变型，衬底可以是自支撑的，也就是说，其足够刚性而在其自身重量下不会弯曲。自支撑衬底可以附接(例如粘结)到载体。
[0086]
距换能器最远的液体的部分可以布置在对应于载体中的表面波的衰减长度的几倍的距离处。
[0087]
此外，所述装置可以包括发电机，例如电池，以便为每个换能器供电。该发电机可以连接到控制单元。该发电机可以为分析单元供电。
[0088]
该发电机可以将10毫瓦到50瓦之间的功率输送到至少一个换能器，或者甚至输送到每个换能器。
[0089]
最后，本发明还涉及一种选自汽车、公共汽车、摩托车和卡车的机动车辆，该车辆包括根据本发明的装置。
[0090]
优选地，所述车辆包括底盘并且所述装置相对于底盘固定。
[0091]
本发明还涉及一种方法，包括：
[0092]
提供装置、特别是根据本发明所述的装置，所述装置包括被液体覆盖的表面和至少两个波换能器，所述至少两个波换能器声波耦合到载体并且每个波换能器都被配置为产生通过所述载体传播的超声表面波，换能器产生的超声表面波的传播方向不同，
[0093]
所述方法包括估计施加到液体的外力的取向，并且基于所述估计，为所述换能器中的至少一个换能器供电，以便通过载体传播一个或多个超声表面波，从而使由一个或多个超声表面波与液体之间的相互作用产生的施加到液体的声力以预定指向取向。
[0094]
优选地，所述装置安装在机动车辆上并且外力的估计包括测量车速。
[0095]
最后，本发明涉及一种机动车辆，该机动车辆包括车速传感器和电声装置，特别是根据本发明的电声装置，该电声装置包括：
[0096]-载体，
[0097]-至少两个波换能器，所述至少两个波换能器声波耦合到载体并且每个波换能器都被配置为产生通过所述载体传播的超声表面波，换能器产生的超声表面波的传播方向不同，以及
[0098]-控制单元，所述控制单元被配置为通过车速控制所述换能器中的至少一个换能器，使得当液体布置在载体上时，由一个或多个超声表面波与液体之间的相互作用产生的施加到液体的声力以预定指向取向。
附图说明
[0099]
通过阅读以下本发明的实施方式的非限制性示例的详细描述并通过研究附图，将
能够更好地理解本发明，其中：
[0100]
[图1]图1以透视图示出了包括根据本发明的装置的一个示例的机动车辆，
[0101]
[图2]图2是示出了根据本发明的装置的一部分的图1的特写图，
[0102]
[图3]图3是来自示例1的装置的示意图，
[0103]
[图4]图4示出了用于选择激活哪些换能器的方法的一个示例，
[0104]
[图5]图5示出了来自示例性装置的换能器的一个实施方式，以及
[0105]
[图6]图6示出了来自示例性装置的换能器的另一个实施方式。
[0106]
为了清楚起见，附图的构成元件未按比例示出。
具体实施方式
[0107]
图1示出了包含根据本发明的装置10的一个示例的机动车辆5。
[0108]
该装置包括多个超声表面波换能器15a-15h和载体20，载体20由安装在窗口25中的舷窗限定，该窗口25制成在激光雷达的保护壳30中，换能器布置在载体20上。该装置还包括用于换能器的分析单元35和控制单元40，两者都容纳在车辆中。
[0109]
舷窗对可见光是透明的并且例如由玻璃或聚碳酸酯制成。
[0110]
激光雷达容纳在保护壳中，并发射通过舷窗的激光束l，以检测位于车辆环境中的障碍物45、行人和其他车辆。在所示示例中，舷窗是平面的，但作为一个变型，舷窗可以是弯曲的。
[0111]
换能器布置在舷窗的外表面50的周边，暴露在风雨中。此外，它们围绕穿过舷窗的中心c并且垂直于所述外表面的轴线x以规则的方式布置。因此，相对于中心对称布置的换能器，例如标为15a至15e的换能器形成多个对，一对中的每个换能器发射超声表面波(例如wa)，与另一对中的换能器发射的波(例如we)的指向相对。
[0112]
在图1所示的示例中，每个换能器被配置为传播基本朝向中心c取向的超声表面波w
a-we。因此，无论投射到载体上的外力的估计的取向如何，该装置的至少一个换能器可以被控制成产生能够产生声力的表面波，该声力的投射到载体上的分量的取向基本上平行于投射的外力。
[0113]
当然，可以设想换能器的其他布置。同样，换能器的数量也没有限制，可以减少或增加。
[0114]
分析单元安装在车辆中，例如在前引擎盖下方或乘客舱中。分析单元通过电缆53连接到车速测量单元55，车速测量单元55布置在车辆的车轮60中，并且被配置为测量车轮的转速并将其转换为车速。分析单元还连接到gps收发器65，该gps收发器65测量车辆的位置和取向，并且还可以估计车速。
[0115]
因此，根据预定采集频率，例如高于1hz，或者甚至高于10hz，例如等于50hz的采集频率，分析单元可以接收车辆的车速、取向和位置。
[0116]
此外，分析单元连接到蜂窝通信模块70，以便询问远程气象数据服务器并从该服务器接收相对于车辆位置的风向和风速。
[0117]
分析单元通过将车辆的车速、位置和取向、以及气象信息作为输入数据的数值估计模型来估计外力的取向。估计模型还考虑了舷窗相对于水平面的位置，以估计与液体重量相关的分量。
[0118]
因此，当例如在雨天在舷窗的表面检测到液体88时，分析单元可以估计外力的取向ofe并将其传输到控制单元40。
[0119]
控制单元电连接到分析单元和多通道电流发生器75。电流发生器的各个通道80a-80h电连接到相应的换能器15a-15h以便为换能器供电。控制单元还包括多个开关85a-85h，每个开关电布置在电流发生器和换能器之间。
[0120]
控制单元还包括合成模块90。合成模块从该装置的一组换能器中选择那些产生的超声表面波相对于投射到载体上的外力的取向of
ep
的角度α小于90
°
的换能器。例如，在图3中，选择换能器15d、15e和15f，因为它们的角度α
d-αf小于90
°
。然后，控制单元将用于所选换能器的供电电路的开关置于接通位置，而将其他开关置于断开位置。然后控制单元控制电流发生器，使得传输到每个所选换能器的电流的强度与角度α成比例。因此，由所选换能器的声波和液体之间的相互作用产生的、投射到载体上的声力与投射到载体上的外力基本平行并且该声力的取向of
ap
与该外力的指向相同。然后液体受到比单独的外力更高强度的力，这促进了液体相对于载体的脱离和移位。
[0121]
图5示出了图1所示示例中的一个换能器在载体上的一种示例性布置。
[0122]
换能器包括衬底100，第一电极105和第二电极110布置在衬底100上。衬底例如由以128
°
切割的铌酸锂制成。
[0123]
使用光刻法沉积电极。电极由用于附接到由钛形成的中间衬底且厚度等于20nm的连接层和由金制成的厚度为100nm的导电层组成。
[0124]
第一电极和第二电极形成第一梳状件115和第二梳状件120。各个梳状件具有基部125、130和从基部彼此平行延伸的一排指状物135、140。第一梳状件和第二梳状件是叉指的。
[0125]
指状物之间的间距决定了换能器的谐振频率，本领域技术人员很容易知道如何确定该谐振频率。
[0126]
第一电极和第二电极交替供电会在布置在第一梳状件和第二梳状件的两个连续指状物之间的压电材料中引起机械响应，这导致产生超声表面波w，该超声表面波w通过载体以垂直于第一梳状件和第二梳状件的指状物的传播指向p传播。
[0127]
图6示出了换能器在载体上的另一种布置。
[0128]
换能器包括自支撑衬底100，第一电极105和第二电极110沉积在粘结到载体50的衬底100的面上。当电流通过第一电极和第二电极时，换能器产生超声导波g，超声导波g在载体和衬底之间传播。当导波沿其传播方向到达衬底的端部150时，它被转换成超声表面波w，该超声表面波w通过载体的与衬底分离的部分160传播，传播方向与导波的传播方向基本相同。导波到表面波的转换是由于载体的该部分中两个固体之间不存在界面而引起的。
[0129]
图6所示换能器的布置具有保护第一电极和第二电极的优点。例如，液体88不能流过电极并氧化它们。此外，可选地，图4中所示的装置可以包括保护构件155，该保护构件155与载体一起限定用于换能器的壳体。这可以防止物体撞击该装置而损坏换能器。
[0130]
显然，本发明不限于以说明方式呈现的实施方式和示例。