Title:
SYSTEM UND VERFAHREN ZUR VERWENDUNG VON TRÄGHEITSKRAFT ZUR WASSERVERSCHIEBUNG
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein selbstreinigendes Linsensystem, das angrenzend an eine Kamera angeordnet ist, wird bereitgestellt. Das System kann ein piezoelektrisches Linsensystem (PZT-Linsensystem) einbeziehen, das ein erstes an einem ersten Umfangsabschnitt des Linsenelements befestigtes PZT-Element aufweist, das auf ein an das erste PZT-Element angelegtes Wechselstromsignal ansprechen kann. Ein Wechselstromsignal kann das erste PZT-Element anregen, um Scherverschiebungen in entgegengesetzten Längsrichtungen zu verursachen und eine oszillierende Scherbewegung für das erste PZT-Element zu erzeugen. Die oszillierende Scherbewegung kann eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements bewirken, die das Umgebungselement von einer Oberfläche des Linsenelements entfernt. embedded image





Inventors:
Alarcon, Michael D. (Ontario, Oshawa, CA)
Weigert, Norman J. (Ontario, Oshawa, CA)
Mepham, Dan W. (Ontario, Oshawa, CA)
Sun, Hongguang (Ontario, Oshawa, CA)
Application Number:
DE102018101367A
Publication Date:
07/26/2018
Filing Date:
01/22/2018
Assignee:
GM Global Technology Operations LLC (Mich., Detroit, US)
International Classes:
B60S1/56; B60R1/00; G03B17/00
Attorney, Agent or Firm:
Manitz Finsterwald Patentanwälte PartmbB, 80336, München, DE
Claims:
Selbstreinigendes Linsensystem, das angrenzend an eine Kamera angeordnet ist, umfassend:
ein piezoelektrisches (PZT) Linsensystem, das angrenzend an die Kamera angeordnet ist und folgendes beinhaltet:
ein Linsenelement;
ein erstes an einem ersten Umfangsabschnitt des Linsenelements befestigtes PZT-Element, das auf ein an das erste PZT-Element angelegtes Wechselstromsignal (AC-Signal) anspricht; und
worin das Wechselstromsignal das erste PZT-Element erregt, um Scherverschiebungen in entgegengesetzten Längsrichtungen zu verursachen, wodurch eine oszillierende Scherbewegung für das erste PZT-Element erzeugt wird, wobei die oszillierende Scherbewegung eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements bewirkt, die das Umgebungselement von einer Oberfläche des Linsenelements entfernt.

System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zweites PZT-Element, das an einem zweiten Teil des Linsenelements befestigt ist, der sich von dem ersten Teil unterscheidet und auf das Wechselstromsignal anspricht und so konfiguriert ist, dass es kooperativ mit dem ersten PZT-Element zusammenwirkt, um die oszillierende Bewegung des Linsenelements zu erzeugen.

System nach Anspruch 1, worin das erste und das zweite PZT-Element an Punkten 180 voneinander beabstandet um einen Umfang des Linsenelements herum befestigt sind.

System nach Anspruch 2, worin das zweite PZT-Element relativ zu dem ersten PZT-Element umgedreht ist.

System nach Anspruch 2, worin das Wechselstromsignal gleichzeitig an das erste und das zweite PZT-Element angelegt wird.

System nach Anspruch 1, worin die Scherbewegung eine oszillierende Rotationsgeschwindigkeit von ungefähr fünf Umdrehungen pro Minute (U/min) für das Linsenelement erzeugt.

System nach Anspruch 6, worin die oszillierende Scherbewegung zu einer oszillierenden Drehung von etwa 0,00019 Grad des Linsenelements führt.

System nach Anspruch 2, worin das erste und das zweite PZT-Element in einer gemeinsamen Ebene positioniert sind.

Selbstreinigendes Linsensystem zur Verwendung mit einer Bildgebungskomponente, umfassend:
ein piezoelektrisches Linsensystem (PZT-Linsensystem), das angrenzend an eine Bildgebungskomponente angeordnet ist und Folgendes beinhaltet:
ein Linsenelement;
ein erstes PZT-Element, das an einem ersten Umfangsabschnitt des Linsenelements befestigt ist;
ein zweites PZT-Element, das an einem zweiten Umfangsabschnitt des Linsenelements an einer Stelle befestigt ist, die sich von einer Stelle des ersten Umfangsabschnitts unterscheidet; und
das erste und das zweite PZT-Element reagieren auf ein Wechselstromsignal (AC-Signal), das gleichzeitig an das erste und das zweite PZT-Element angelegt wird;
worin das Wechselstromsignal erste und zweite PZT-Elemente erregt, um Scherverschiebungen der ersten und zweiten PTZ-Elemente in entgegengesetzten Längsrichtungen zu verursachen, wodurch eine oszillierende Scherbewegung für jedes der ersten und zweiten PZT-Elemente erzeugt wird, wobei die oszillierende Scherbewegungen zusammenarbeiten, um eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements zu bewirken, die das Umgebungselement von einer Oberfläche des Linsenelements entfernt.

System nach Anspruch 9, worin die ersten und zweiten PZT-Elemente an Punkten 180 voneinander beabstandet um einen Umfang des Linsenelements herum befestigt sind und sich in einer gemeinsamen Ebene befinden.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Reinigen von Kameraobjektiven und insbesondere auf ein System und Verfahren, das fähig ist, ein Kameraobjektiv bei extremen Wetterbedingungen, auch kontinuierlich zu reinigen.

HINTERGRUND

Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Zusammenhangs der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik.

Viele aktuelle und zukünftige bei Kraftfahrzeugen verwendete Merkmale beruhen auf der Fähigkeit einer an dem Fahrzeug getragenen Kamera, eine in der Nähe des Fahrzeugs, beispielsweise direkt oder teilweise hinter dem Fahrzeug, befindliche Szene deutlich zu sehen. Die Kamerareinigungstechnik, die zur Reinigung einer rückwärtigen Kamera verwendet wird, ist nicht für extreme Wetterbedingungen, wie starken Regen, starken Schnee, Schneeregen oder extremen Staub oder Schmutz, ausgelegt. Eine wesentliche Herausforderung besteht in der Bereitstellung eines Mechanismus, der in der Lage ist, eine Kameralinse unter solchen Bedingungen kontinuierlich zu reinigen.

Verschiedene Versuche, sich der Herausforderung zu widmen, ein Kameraobjektiv bei starkem Regen, Schneefall etc. sauber zu halten, haben die Verwendung von Luftpumpen zum Aufbringen einer direkten kontinuierlichen Luftströmung auf die Linse erfordert, sowie verschiedene Arten von Linsenbeschichtungen, die dazu bestimmt sind, Wasser (hydrophob/hydrophil) abzuweisen, und Wischer aus Formgedächtnislegierung (SMA). Jeder dieser Ansätze hatte nur begrenzten Erfolg.

Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an einem sehr kompakten Kamerasystem, das fähig ist, eine Kameralinse bei starkem Regen, Schneefall, Schneeregen und anderen widrigen Wetterbedingungen kontinuierlich zu reinigen und die Reinigung in einer Weise durchzuführen, die das von der Kamera erfasste Bild nicht behindert, und das eine sehr kompakte Baugruppe bereitstellt, die leicht in eine Vielzahl von Karosserieblechen und/oder Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeugs integriert werden kann.

KURZDARSTELLUNG

In einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein selbstreinigendes Linsensystem, das angrenzend an eine Kamera angeordnet ist. Das System kann ein piezoelektrisches Linsensystem umfassen. Das piezoelektrische Linsensystem kann ein Linsenelement und ein erstes an einem ersten Umfangsabschnitt des Linsenelements befestigtes PZT-Element beinhalten, das auf ein an das erste PZT-Element angelegtes Wechselstromsignal ansprechen kann. Das Wechselstromsignal kann das erste PZT-Element erregen, um Scherverschiebungen in entgegengesetzten Längsrichtungen zu verursachen und eine oszillierende Scherbewegung für das erste PZT-Element zu erzeugen. Die oszillierende Scherbewegung kann eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements bewirken, die das Umgebungselement von einer Oberfläche des Linsenelements entfernt.

In einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein selbstreinigendes Linsensystem, das angrenzend an eine Kamera angeordnet ist. Das System kann ein piezoelektrisches Linsensystem (PZT-Linsensystem) umfassen, das angrenzend an eine Bildgebungskomponente angeordnet ist. Das piezoelektrische Linsensystem kann ein Linsenelement, ein an einem ersten Umfangsabschnitt des Linsenelements befestigtes erstes PZT-Element und ein zweites PZT-Element, das an einem zweiten Umfangsabschnitt des Linsenelements an einer Stelle befestigt ist, die sich von einer Stelle des ersten Umfangsabschnitts unterscheidet, beinhalten. Das erste und das zweite PZT-Element können auf ein Wechselstromsignal ansprechen, das gleichzeitig an das erste und das zweite PZT-Element angelegt wird. Das Wechselstromsignal kann das erste und das zweite PZT-Element erregen, um Scherverschiebungen des ersten und des zweiten PZT-Elements in entgegengesetzten Längsrichtungen zu verursachen, und eine oszillierende Scherbewegung für jedes der ersten und zweiten PZT-Elemente erzeugen. Die oszillierenden Scherbewegungen können zusammenwirken, um eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements zu bewirken, die das Umgebungselement von einer Oberfläche des Linsenelements entfernt.

In noch einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein System für ein selbstreinigendes Linsensystem, das angrenzend an eine Kamera angeordnet ist. Das System kann ein Linsenelement, einen Elektromotor, der einen Stator umfassen kann, und einen Rotor mit einer zentralen Öffnung umfassen. Das Linsenelement kann an dem Rotor befestigt sein, um durch den Rotor gedreht zu werden. Die Drehung des Rotors kann bewirken, dass auf dem Linsenelement befindliche Umgebungselement von dem Linsenelement abgelöst werden.

Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Umfang der Offenbarung nicht ein.

Figurenliste

Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin:

  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Kamerasystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, das an einem äußeren Karosserieblech eines Kraftfahrzeugs positioniert ist;
  • 2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Hochgeschwindigkeits-Drehlinsenanordnung des Kamerasystems von 1 ist, zusammen mit einem Gehäuse und einer Kamera;
  • 3 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Linsensystems ist, das an einem Gehäuse positioniert ist [in dem sich das piezoelektrische Linsensystem befindet], um eine oszillierende Drehbewegung einer Linse zu erzeugen;
  • 4 eine Draufsicht auf das piezoelektrische Linsensystem von 3 ist und zwei an dem Linsenelement befestigte piezoelektrische Elemente veranschaulicht;
  • 5A-5C veranschaulichen, wie der Schermodus das piezoelektrische Element zur Erzeugung einer Verformung beeinflusst, die zu einer linearen, oszillierenden Scherbewegung führt, wenn ein Wechselstromsignal an das piezoelektrische Element angelegt wird; und
  • 6 ein vereinfachtes Diagramm ist, das darstellt, wie die Lichtbogenlänge als Teil der Bestimmung der Scherverschiebung erhalten wird.

In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Unter Bezugnahme auf 1 und 2 beinhaltet ein Kamerasystem 10 ein Gehäuse 12, das eine Bildgebungskomponente, beispielsweise eine nur in 2 sichtbare interne Kamera 14, aufnimmt. Das Gehäuse 12 kann an einem Karosserieblech eines Fahrzeugs oder an einer beliebigen geeigneten Struktur befestigt sein, an der das Kamerasystem 10 verwendet werden soll. Um bei der Montage des Gehäuses 12 zu helfen, können Schenkel 12a bereitgestellt werden, die an dem Gehäuse 12 befestigt werden oder einen integralen Abschnitt des Gehäuses 12 bilden können, indem unabhängige Befestigungselemente (z. B. Gewindebefestigungselemente, Klebstoffe usw.) oder beliebige andere geeignete Befestigungskomponenten verwendet werden. Die Schenkel 12a können ermöglichen, dass das Gehäuse 12 fest an einem Karosserieblech 11 getragen wird, das dem Fahrzeug oder der Struktur, mit der das Kamerasystem 10 verwendet wird, durch die Verwendung zusätzlicher Befestigungsmittel oder Befestigungskomponenten (nicht speziell in 1 gezeigt) zugeordnet ist.

Mit dem Gehäuse 12 ist ebenfalls eine selbstreinigende Drehlinsenanordnung 16 betriebsmäßig verbunden. Die Linsenanordnung 16 beinhaltet einen kompakten Elektromotor 18 und ein an dem Rotor befestigtes Linsenelement 20, das durch den Motor 18 mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird. In einer Ausführungsform dreht der Motor 18 das Linsenelement 20 mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 2500 U/min bis 7500 U/min und vorzugsweise etwa 5000 U/min. Es versteht sich jedoch, dass diese Geschwindigkeit erheblich variieren kann, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Die Rotationsbewegung des Linsenelements 20 mit hoher Geschwindigkeit verwendet eine Trägheit, um auf dem Linsenelement 20 befindliche Umgebungselemente praktisch augenblicklich von dem Linsenelement „abzulösen“ oder abzuschleudern. Die Umweltelemente können Tröpfchen von Regenwasser, Schneeregen, Schnee, Schmutz und sogar Staubpartikel beinhalten, die auf dem Linsenelement 20 landen.

Die auf das Linsenelement 20 ausgeübte Hochgeschwindigkeits-Drehwirkung ist in der Lage, Regenwasser, Schneeregen, Schnee und sogar Staub- und Schmutzpartikel von dem Linsenelement zu entfernen, ohne dass ein separates Fluid (z. B. Waschlösung oder Luft) z. B. durch eine Sprühdüse aufgebracht werden muss. Dies ermöglicht, dass das Linsenelement 20 während Regenstürmen, Schneeregen, Schneestürmen und sogar in staubigen Bedingungen ausreichend klar bleibt, sodass die Abbildungsfähigkeit der internen Kamera 14 nicht beeinträchtigt wird. Die Drehlinsenanordnung 16 bietet den zusätzlichen Vorteil, dass keine externe Waschflüssigkeit oder Luftquelle benötigt wird, um ihre Reinigungswirkung auf das Linsenelement 20 auszuüben.

Unter besonderer Bezugnahme auf 2 wird die sehr kompakte Konstruktion der Linsenanordnung 16 durch die Verwendung einer flachen oder „Pfannkuchen“-Motorkonfiguration für den Motor 18 der Anordnung erreicht. Der Motor beinhaltet einen Stator 22 mit einer sehr kompakten axialen Länge und einen Rotor 24, der ebenfalls eine kompakte axiale Länge aufweist. Der Rotor 24 dreht sich innerhalb eines Abschnitts des Stators 22. Wichtigerweise enthält der Rotor 24 eine zentrale Öffnung 24a. Der Durchmesser der zentralen Öffnung 24a ist derart, dass ein Sichtfeld der inneren Kamera 14 von dem Rotor 24 nicht behindert ist. Vorzugsweise ist der Durchmesser der zentralen Öffnung 24a etwa gleich groß wie der Außendurchmesser 14a der internen Kamera oder möglicherweise nur geringfügig größer (z. B. 0,005 Zoll bis 0,100 Zoll) als der Außendurchmesser der Kamera 14a, um sicherzustellen, dass keine Behinderung auftritt, selbst wenn die Montage der internen Kamera 14 innerhalb des Gehäuses 12 etwas außermittig von einer axialen Mitte des Rotors 24 erfolgt. Die interne Kamera 14 kann teilweise oder sogar vollständig in der zentralen Öffnung 24a des Rotors 24 montiert sein. Ein Umfangsbereich des Linsenelements 20 kann an Abschnitten des Rotors 24 befestigt sein, und somit kann das Linsenelement durch den Rotor gedreht werden.

Bezugnehmend auf 3 und 4 ist ein selbstreinigendes piezoelektrisches Linsensystem 100 zur Verwendung mit der internen Kamera 14 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Anstatt zur Erzielung einer Drehung einer Linsenkomponente einen Elektromotor zu verwenden, verwendet das System 100 ein Schermodus-Piezoelementepaar („PZT“-Elementepaar) (d. h. Wandler) 102a und 102b, die an gegenüberliegenden Seiten angeordnet und an Umfangsabschnitten eines Linsenelements 104 befestigt sind. Das Linsenelement 104 kann dem Linsenelement 20 der Drehlinsenanordnung 16 ähneln oder mit diesem identisch sein. In einem Beispiel hat das Linsenelement 104 einen Durchmesser von ungefähr 14 mm, obwohl diese Dimension stark variieren kann, um die Bedürfnisse einer spezifischen Anwendung zu erfüllen. Das PZT-Linsensystem 100 kann teilweise in einem Gehäuse 103 gelagert sein, in dem eine Kamera 105 montiert ist.

Wie in 3 gezeigt ist, können die Abschnitte 104a und 104b des Linsenelements 104 überlagern und beispielsweise durch Klebstoffe oder beliebige andere geeignete Befestigungskomponenten an Oberflächen der PZT-Elemente 102a und 102b befestigt sein. Die nicht durch Klebstoffe an den PZT-Elementen 102a und 102b befestigten Randabschnitte des Linsenelements 104 können mit einem geeigneten wetterfesten Dichtungsmittel (z. B. Silikon) abgedichtet werden, sodass der gesamte Umfangsrand des Linsenelements 104 gegen das Eindringen von Wasser, Schnee, Schneeregen, Staub und Schmutzpartikeln in das Gehäuse 105 abgedichtet ist. Die Schermodus-PZT-Elemente 102a und 102b sind im Handel von verschiedenen Quellen erhältlich, beispielsweise APC International, Ltd., Mackeyville, PA.

Mit kurzem Bezug auf FIG. In 5A-5C ist ein Arbeitsprinzip der PZT-Elemente 102a dargestellt, wobei zu verstehen ist, dass die Wirkung des PZT-Elements 102b identisch mit der, jedoch entgegengesetzt zu der des PZT-Elements 102a ist. Der Betrieb des PZT-Elements 102b ist dem PZT-Element 102a entgegengesetzt, da das PZT-Element 102b relativ zu dem PZT-Element 102a umgedreht (d. h. auf den Kopf gestellt) wird. Wenn ein Wechselstromsignal 106 an das PZT-Element 102a angelegt wird, ändert sich eine Länge „X“ und eine Dicke „Z“ gemäß der Änderung der Polarität des Wechselstromsignals. Die Größe der Änderung in der X-Richtung hängt davon ab, wie viele Schichten des Schermodus-PZT-Materials für die Konstruktion des PZT-Elements 102a verwendet werden, zusammen mit einer Größenordnung des angelegten Eingangs-Wechselstromsignals 106. 5A zeigt das PZT-Element 102a mit dem Wechselstromsignal im Neutralpunkt (d. h. Nulldurchgangspunkt) und es tritt keine Scherbewegung oder Verformung des PZT-Elements auf. 5B zeigt, wie die Scherbewegung oder Deformation des PZT-Elements 102a aussieht, wenn eine Wechselspannung mit einer ersten Polarität an ihm anliegt, und 5C zeigt, wie die Scherbewegung aussieht, wenn eine Wechselspannung mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität an das PZT-Element 102a angelegt wird. In den 5B und 5C ist zu sehen, dass das PZT-Element 102a so verformt wird, dass sich die gegenüberliegenden Oberflächen des PZT-Elements 102a in verschiedene Richtungen bewegen. Dieses Merkmal wird verwendet, um eine oszillierende Drehbewegung auf dem Linsenelement 104 zu bewirken. Wie oben erwähnt, sind die PZT-Elemente 102a und 102b an dem Linsenelement 104 befestigt, wobei eines der PZT-Elemente 102a oder 102b relativ zu dem anderen umgedreht oder auf den Kopf gestellt ist. Jedoch sind beide PZT-Elemente 102a und 102b immer noch in einer gemeinsamen Längsebene angeordnet. Wenn ein gemeinsames Wechselstromsignal gleichzeitig an beide PZT-Elemente 102a und 102b angelegt wird, bewirkt dies als Ergebnis eine oszillierende „Scherbewegung“ für jedes PZT-Element 102a und 102b, was wiederum innerhalb der gemeinsamen Längsebene eine oszillierende Drehbewegung des Linsenelements 104 bewirkt. In der Tat führt die Scherbewegung, die das PZT-Element 102b in 4 dazu, dass es sich in einer positiven X-Richtung bewegt, während die Scherbewegung des PZT-Elements 102a bewirkt, dass es sich während eines halben Zyklus des Wechselstromsignals 106, was in diesem Beispiel ein 50 kHz-Signal ist, in einer negativen X-Richtung bewegt. Wenn das Wechselstromsignal 106 die Polarität ändert, bewegt sich das PZT-Element 102b in der negativen X-Richtung, während sich das PZT-Element 102a gleichzeitig während des nächsten halben Zyklus in der positiven X-Richtung bewegt, was wiederum eine Drehbewegung des Linsenelements 104 in die entgegengesetzte Drehrichtung bewirkt. Die oszillierende Drehbewegung des Linsenelements 104, die durch die PZT-Elemente 102a und 102b erzeugt wird, erfolgt somit in Übereinstimmung mit der Frequenz des Wechselstromsignals 106.

In einer Ausführungsform beträgt der Grad der Drehbewegung des Linsenelements 104, der bei gleichzeitigem Anlegen eines Wechselstromsignals von 50 kHz an beide PZT-Elemente 102a und 102b erzielt wird, nur etwa 0,00019 Grad. Wenn jedoch ein oszillierendes Sinuswellen-Wechselstromsignal 106 von etwa 50 verwendet wird hat die Simulation hat gezeigt, dass eine maximale Drehzahl von etwa +/- 5 U/min mit nur 0,00019 Grad Drehbewegung erzielt wird. Die Simulation hat gezeigt, dass eine Sägezahn-Wechselstromwellenform von 50 KHz einen größeren Drehbewegungsgrad von etwa 0,0015 Grad und eine maximale Drehgeschwindigkeit von +/- 5 U/min erzeugen kann, obwohl die Zeit zum „Ablösen“ eines Wassertropfens von der Oberfläche des Linsenelements 104 ist in beiden Fällen ungefähr gleich ist. Diese Rotations- und Geschwindigkeitszahlen können wie folgt erklärt werden.

Der Radius des Linsenelements 104 in diesem Beispiel beträgt etwa 12 mm. Die Tangentialbeschleunigung an jedem der PZT-Elemente 102a und 102b ist für eine Sägezahnwellenform konstant. Daher:

  • at= r dω/dt = 0,012 · 104720 ≈ 128 g bei einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von 5 U/min
  • Daraus folgt, dass der maximale Drehwinkel 0,00015 Grad beträgt, wenn die Frequenz 50 kHz beträgt.

Wenn ein Sinuswellenmuster angewendet wird, kann die maximale Tangentialbeschleunigung an jedem der PZT-Elemente 102a oder 102b wie folgt ausgedrückt werden:

  • at,max = r dω/dt = 0,012 ·164493 ≈ 201 g bei einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von 5 U/min.

Daraus folgt, dass der maximale Drehwinkel 0,00019 Grad beträgt, wenn die Frequenz 50 kHz beträgt.

In ähnlicher Weise hat die Simulation ergeben, dass selbst eine wesentlich größere Drehbewegung von etwa 0,3 Grad des Linsenelements 104, die eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit von ± 10.000 U/min für das Linsenelement 104 erzeugt, die Ablösezeit bei der Entfernung eines Wassertropfens von der Oberfläche des Linsenelements 104 nicht signifikant beeinflusst. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass ein Wassertropfen auf dem Linsenelement 104 vorhanden ist und sich etwa 3 mm von der Mitte des Linsenelements entfernt befindet, dann:

  • selbst bei einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von 5 U/ min (0,5 rad/s), dann: dω / dt ≈ ± 104720 rad/s2; und
  • in einer tangentialen Richtung at= r dω/dt = ± 0,003 104720 ≈ ± 32 g.

Daher beruht die Trennung des Wassertropfens von der Oberfläche des Linsenelements 104 hauptsächlich auf der Beschleunigung der Schwerkraft. Mit anderen Worten, der Wassertropfen dreht sich nicht annähernd mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Oberfläche des Linsenelements 104. Tatsächlich ist die Drehgeschwindigkeit des Wassertropfens aufgrund der extrem hohen Tangentialbeschleunigung der Oberfläche des Linsenelements 104 signifikant geringer als die Drehgeschwindigkeit der Oberfläche des Linsenelements 104. Somit haftet der Wassertropfen nicht länger an der Oberfläche des Linsenelements 104. Auf der anderen Seite führt die Gravitationsbeschleunigung hauptsächlich dazu, dass der Wassertropfen von der Oberfläche des Linsenelements 104 abgelöst wird. Das Simulationsergebnis hat auch bestätigt, dass die Ablösezeit für den Wassertropfen ungefähr gleich ist, unabhängig davon, ob zum Drehen des Linsenelements 104 eine Sägezahnwellenform, die eine Drehbewegung von 0,3 Grad (mit einer maximalen Geschwindigkeit von +/- 10.000 U/min) erzeugt, oder eine Sinuswelle, die nur eine Drehbewegung von 0,00019 Grad (mit einer maximalen Geschwindigkeit von +/- 5 U/min) erzeugt, verwendet wird. Darüber hinaus hat das Simulationsergebnis gezeigt, dass die genaue Position des Wassertropfens auf dem Linsenelement 104 seine Ablösezeit nicht signifikant beeinflusst; Stattdessen ist die Gravitationsbeschleunigung, die den Wassertropfen beeinflusst, der dominierende Faktor bei dem Erreichen des Ablösens des Wassertropfens von der Oberfläche des Linsenelements 104.

Mit kurzer Bezugnahme 6 werden Überlegungen erläutert, die bei dem Erreichen einer Drehbewegung von 0,00019 Grad zu berücksichtigen sind. Die Bogenlänge „s“ kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden: s=rθembedded image

Für eine Bewegung von 0,00019 Grad (entspricht 3,31613×10-6 Bogenmaß) unter Verwendung eines Linsenelements 104 mit einem Radius von 12 mm (0,012 m), wobei „θ“ in Winkel im Bogenmaß ausgedrückt ist, ist die Bogenlänge „s“ in diesem Beispiel 3,97935 × 10-8 Meter. Die erforderliche Scherverschiebung „S“ des PZT-Elements 102a (oder 102b) entlang der X-Achse in 5a muss mindestens diese Entfernung haben (d. h. mindestens 3.97935×10-8 Meter). Die Scherverschiebung „S“ kann ausgedrückt werden als

ΔLScherung = n d15(GS) ΔLScherung
Verschiebung der Scherbetätigung [m]
d15(GS)
Scherverformungskoeffizient [m/V]
n
Anzahl der gestapelten Keramikschichten
V
Betriebsspannung [V]
GND
Erdung
P
Richtung der Polarisation
E
Elektrische Feldstärke

für n = 1 eine Scherverformungskonstante (d15(GS) in Millivolt) von 590×10-12 und eine Eingangsspannung (V) von 100, kann eine Scherverschiebung (ΔLScherung) = 5,9 × 10-8 Meter erreicht werden, was mehr als ausreichend ist, um die gewünschte Verschiebung (S) entlang der X-Achse von mindestens etwa 3,97935 × 10-8 Meter zu erreichen.

Wie oben erwähnt, sind die vorstehenden Berechnungen zur Bestimmung der Scherverschiebung (ΔLSherung) für eine PZT-Platte oder einen Wafer, die/der das PZT-Element 102a oder 102b bildet. Es versteht sich, dass zwei oder mehr PZT-Wafer aufeinandergestapelt werden und Passflächen beispielsweise durch Klebstoffe aneinander befestigt werden können, um die Scherverschiebung für eine gegebene Amplitudenspannung zu verstärken, die an die gestapelte PZT-Anordnung angelegt wird. Da die Gesamtdicke (d. h. die Z-Abmessung) der gestapelten PZT-Anordnung größer ist als für einen einzelnen PZT-Wafer, muss dieser Faktor bei der Verpackung des Systems 100 berücksichtigt werden. In einer Ausführungsform des Systems 100 kann jedes der PZT-Elemente 102a und 102b eine Länge (X-Richtung) von etwa 15 mm, eine Breite (Y-Richtung) von etwa 12 mm-15 mm und eine Dicke (Z-Richtung) von etwa 1 mm aufweisen. Diese Abmessungen können jedoch beträchtlich variiert werden, um die PZT-Elemente 102a und 102b an eine spezielle Anwendung anzupassen und die Verpackung des Systems 100 zu optimieren. Die Abmessungen der PZT-Elemente 102a und 102b und ob sie jeweils aus PZT-Einzelschicht-Wafern oder mehreren Schichten von PZT-Wafern gebildet sind, hängen teilweise auch von den Abmessungen des Linsenelements 104 ab. Und während das PZT-Linsensystem 100 in Verbindung mit der Verwendung von zwei unabhängigen PZT-Elementen 102a und 102b beschrieben wurde, kann es bei einigen Anwendungen akzeptabel sein, nur ein einziges PZT-Element zum Bereitstellen der oszillierenden Drehbewegung für das Linsenelement 104 zu verwenden.

Die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen somit, dass ein Linsenelement, das eine Kameralinse abdeckt, unter Verwendung von PZT-Elementen oder eines kompakten Elektromotors gedreht wird, um Umweltelemente, wie Regenwassertropfen, Schneeregen, Schnee und sogar Staub- und Schmutzpartikel, aufgrund der auf das Linsenelement 20 bzw. 104 ausgeübten Schwingungen abzulösen. Das System 100 bietet den zusätzlichen Vorteil, dass es abgedichtet wird, sodass Wasser oder Verunreinigungen nicht in das Volumen eindringen können, das das Linsenelement 104 und die Kamera trennt.

Obwohl das System in Verbindung zur Verwendung mit Kraftfahrzeugen beschrieben wurde, ist zu erkennen, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen mit wenig oder ohne Modifikation in Anwendungen implementiert werden könnten, die stationäre Kameras mit einem Linsenelement beinhalten, das Regen, Schnee, Schneeregen und andere Verunreinigungen ausgesetzt sind, und in denen die Kamera in der Lage sein muss, für eine Bildgebungsanwendung klare Bilder bereitzustellen. Als solche können die verschiedenen Ausführungsformen nicht nur bei sich bewegenden Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Flugzeugen und Drehflüglern, sondern auch bei Gebäuden oder anderen festen Strukturen oder möglicherweise sogar in Verbindung mit handgeführten Kameras Verwendung finden, die in widrigen Wetterverhältnissen eingesetzt werden müssen.

Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor. Es sei daraufhingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner, obwohl jede der Ausführungsformen oben dahingehend beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale aufweist, kann/können eines oder mehrere dieser Funktionen, die in Bezug auf jede Ausführungsform der Offenbarung beschrieben sind, in jeder der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen gegeneinander bleiben innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.

Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltkreiselementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden“, „eingerastet“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben auf”, „über“, „unter“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn ein oder mehrere intervenierende(s) Element(e) (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz „zumindest eines von A, B und C“ so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C.“

In den Figuren bezeichnen die Pfeilrichtungen, wie angezeigt, durch die Pfeilspitze im Allgemeinen den Fluss von Informationen (wie Daten oder Befehlen), die im Kontext der Darstellung relevant sind. Wenn beispielsweise Element A und Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, aber die Informationen, die von Element A nach Element B übertragen werden, für die Darstellung relevant sind, kann der Pfeil von Element A nach Element B zeigen. Diese unidirektionalen Pfeile implizieren nicht, dass keine anderen Informationen von Element B nach Element A übertragen werden. Zudem kann Element B im Zusammenhang mit Informationen, die von Element A nach Element B gesendet werden, Anforderungen oder Bestätigungen dieser Informationen zu Element A senden.

Keines der in den Ansprüchen genannten Elemente ist als Mittel für eine Funktion (sog. „means plus function“) nach 35 U.S.C. §112(f) zu verstehen, es sei denn, ein Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Begriffes „means for“ (Mittel für) beschrieben oder falls in einem Verfahrensanspruch die Begriffe „Vorgang für“ oder „Schritt für“ verwendet werden.