CN101071169B - 用于调节传感器振动区段的谐振频率的方法 - Google Patents

用于调节传感器振动区段的谐振频率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调节传感器(1)的、尤其超声波传感器的壳体(2)的振动区段(3)的谐振频率(fR)的方法，其中该方法具有以下步骤：(VS1)用一个测量装置(15)测量振动区段(3)的谐振频率(fRI)；(VS2)将测量的谐振频率(fRI)与给定谐振频率(fRS)的一个在先确定的阈值相比较；及(VS3)借助该比较在振动区段(3)上产生材料的切除或材料的施加以调节振动区段(3)的谐振频率(fR)；及涉及一个相应的壳体(2)及一个实施该方法的相应装置(20)。

Description

用于调节传感器振动区段的谐振频率的方法
技术领域
本发明涉及用于调节传感器、尤其是超声波传感器的振动区段的谐振频率的方法，一个相应的壳体及一个相应的装置。
背景技术
这种超声波传感器例如在机动车中被用作泊车辅助及各具有一个壳体，该壳体被构造成挤压的铝罐或由铝合金作成。该壳体具有一个振动区段或一个膜片，它适用于超声波振动。该壳体也被称为膜片罐。它在超声波传感器工作时在其谐振频率上在发送或接收信号时被激励。振动区段产生振动的激励通过换能元件(Wandlerelement)来形成，该换能元件例如是一个压电式换能元件，它被粘接在膜片罐的内底部上。整个膜片罐包括压电元件在内出于减振的原因例如被用合适的材料浇注。超声波传感器例如被这样地安装在机动车的保险杠缓冲器(Stossfaenger)中，使得壳体底部的外侧、即振动区段露出，由此允许测量到机动车前面及后面的物体的间距及也允许部分地测量到侧面的间距。
对于这种超声波传感器的正确工作重要的是：壳体或膜片罐工作在其固有谐振或其谐振频率上。该频率在一个确定的范围中，典型地对制造好的传感器在48kHz的范围中并且具有例如+2kHz及-1.5kHz的一定的允许公差。因为该超声波传感器在机动车上的安装位置在可看到的区域及在外部区域中，一方面有着用户对安装地点视觉适配的要求及另一方面有着一定的抗腐蚀保护的要求。这些要求通常通过超声波传感器外侧的相应的涂层来满足。但膜片罐的谐振频率与该涂层相关地这样改变，即例如一个约为80μm的电镀涂层使膜片罐的谐振频率提高约6...7kHz，其中例如48+2kHz的允许的容差范围被超过4至5kHz。这里谐振频率正比于振动区段及被施加的层的总厚度。这种涂层例如由铜，半光亮镍，光亮镍及铬组成。因此在涂层期间任何层厚度的波动影响到膜片罐的所产生的谐振频率。处于谐振频率的允许容差以外的被涂层的膜片罐必需被抛弃。
DE 101 39 341 A1示出了一个超声波传感器的例子，它的膜片厚度被这样地调节，以致可有效地限制振动特性的改变，即使当传感器膜片上留有水滴时也如此。这将通过膜片的不同厚度区域的确定关系来实现。但未给出有关被涂层的膜片罐的教导。
发明内容
相比之下，根据本发明的用于调节传感器、尤其是超声波传感器的振动区段的谐振频率的方法具有其优点，即，具有超出允许容差的谐振频率的被涂层的膜片罐事后被这样加工，使得可减少迄今的废品。一个主要的优点在于，该加工也可用于未被涂层的膜片罐及因此特别的经济。
本发明的核心在于，膜片罐振动区段的厚度在涂层以后被改变。但在此情况下仅可考虑位于换能元件固定区域以外的区域。但在这些区域中振动区段的偏移很小。因此通过改变这些部位上膜片的厚度在至今以前通常被认为对谐振频率无大的影响。但事实表明，通过在这些部位上对膜片罐开槽可显著地改变谐振频率，其方式是使谐振频率下降。
根据本发明，用于调节传感器的、尤其是超声波传感器的壳体的振动区段的谐振频率的方法具有以下步骤：
(VS1)用一个测量装置测量振动区段的谐振频率；
(VS2)将测量的谐振频率与给定谐振频率的一个在先确定的阈值相比较；
(VS3)借助该比较在振动区段上产生材料的切除或材料的施加以调节振动区段的谐振频率。
在测量的谐振频率过高时，在振动区段的合适的位置上进行材料的切除，由此使振动区段的谐振频率降低。在测量的谐振频率过低时可通过施加适当的材料使谐振频率增高。通过测量及与给定值比较可达到对处于允许容差以外的膜片罐的谐振频率的精确调节。
尤其有利的是，振动区段的加工在壳体的内部进行，因为在此情况下在壳体外侧不能被看出加工的特征，因为壳体的外侧通常是机动车车身的组成部分，它的外观形象应被保持。
这也可有利地实现，即传感器的壳体的振动区段在外侧上具有一个涂层。由此得到大的使用范围。
优选地，可用一个施加在振动区段上的测量装置的一个发送器及一个接收器进行谐振频率的测量。通过该配置及施加可有利地达到：保持很小的测量误差。此外仅需要很小的成本。
变换地可考虑，用一个暂时施加在振动区段上的或被固定在振动区段上的换能元件作为发送器及一个暂时施加在振动区段上的测量装置的接收器进行谐振频率的测量。在此情况下有利的是，一方面换能元件可被安装在一个位置上，后来具当传感器制造好时它自己的换能元件处在该位置上及由此可减小测量误差；及另一方面传感器的自己的换能元件已经存在及作为发送器被使用，由此可减小测量误差及部件成本。
在此情况下可考虑，在换能元件的固定区域以外进行材料切除或材料施加的产生。由此得到一个特殊的优点，即事后的加工也可在换能元件已固定的情况下进行。由此可测量出与装入了换能元件的真实性精确地相符的谐振频率，由此将进一步减小废品数。
在一个实施例中提出，借助一个工具进行材料切除或材料施加的产生，该工具以根据实际谐振频率与给定谐振频率之间的比较可确定的形式进行与振动区段的平面平行的移动运动。因此仅用工具的进给即可实现在先可确定的面形式的开槽或材料施加。
材料的切除可通过铣削、激光蚀刻和/或等离子蚀刻来实现。材料的切除通过铣削是有利的，因为这可特别简单地、无需高成本地用一个铣刀来实现。
对于特别高的精度，激光蚀刻或等离子蚀刻是有利的，这些方法已由半导体技术公开。
在试验中已确定，振动区段的谐振频率与工具的进给行程存在几乎线性的关系。因此特别有利的是，当前的刀具根据实际谐振频率与给定谐振频率之间的比较在一个方向上被进给，该方向基本上垂直于振动区段的平面。在此情况下槽深度可达到一个确定的值，而振动区段不会因该切除过程产生弯曲，及不会由膜片外部看到它。这种最大的深度例如在0.25mm上。
在另一实施例中提出，通过在多个阶段中重复方法步骤(VS1至VS3)来执行该方法，由此提高振动区段的谐振频率调节的精度。
用于超声波传感器的壳体，尤其是膜片罐具有振动区段的借助上述方法调节的谐振频率。
上述方法可借助根据本发明的装置自动地实施，其中该装置可有利地组合在传感器的加工线中，但也可与其分开地实施。
根据本发明的用于调节传感器的、尤其超声波传感器的振动区段的谐振频率的装置具有以下部分：
-一个用于加工振动区段的加工装置；
-一个用于测量振动区段的谐振频率的测量装置；及
-一个用于调节加工装置以调节振动区段的谐振频率的调节装置。
通过该调节装置能以高精度有利地自动实施该方法。
在此情况下提出，加工装置具有一个由振动区段切除材料的装置和/或对振动区段施加附加材料的装置。这是有利的，因为可进行相应的工具的直接进给。
被固定在振动区段上的换能元件是测量装置的一个组成部分及由此降低了装置的成本。该设置有利地降低了测量误差。在此情况下特别有利的是，该换能元件是传感器自己的换能元件。
优选的是，调节装置具有以下部分：
-一个用于输入一些值的输入装置；
-一个用于比较谐振频率的测量值与给定谐振频率的值的比较装置；
-一个用于给定值及可预给定的表格值的存储器装置；及
-一个用于与加工装置连接的第一接口。
在存储器装置中除给定值外也可写入表格值及程序，这些表格值及程序可被调用以控制槽的形状或材料施加。
该调节装置的实施例是有利的，因为由此可产生出用于调节任务的一个紧凑且简单的装置。其中它通过第一接口可适配不同的加工装置。
为了使该装置有利地与一个加工线或上级的控制装置连接，在另一实施例中提出：调节装置具有一个第二接口，用于使该装置组合在超声波传感器的加工线中。由此可作到：调节装置与加工及测量装置相结合可适配各种加工参数，由此可形成更大的使用范围。
本发明的其它优点及特征可由说明书及附图部分得知。
附图说明
以下将借助附图的各个图中给出的实施例对本发明进行详细说明。
附图表示：
图1：一个超声波传感器的概要部分截面图；
图2：一个振动区段的放大的概要截面图；
图3：图2中超声波传感器的俯视图；
图4：谐振频率与一个振动区段中槽深度的关系的图形显示；及
图5：根据本发明的装置的一个实施例的概要框图。
具体实施方式
具有相同或类似功能的相同或类似的部件在各图中设有相同的标号。
图1中表示一个超声波传感器结构的传感器1的一部分的纵截面，该传感器在一个壳体2中具有一个换能元件4。壳体2被构造成罐状的及向上敞开，其中未表示出上部分。壳体2的下端由一个底部封闭，该底部具有一个振动区段3。振动区段3是底部的一部分，该底部由壳体2的壁围绕限定，即在壳体内部的它的露出区域及与该露出区域相反对立的外侧。在壳体2内部振动区段3的该露出区域上固定地施加上一个换能元件4，例如借助合适的胶粘剂来固定。在安装到例如一个机动车保险杠缓冲器中的情况下该外侧是起作用的面。振动区段3也被称为膜片。换能元件4具有端子导线5，用于在发送工作中加载产生声波的电能及用于在接收工作中导出在换能元件4中由回波信号激励的振动区段3的机械激励产生的电能。在该例中被称为膜片罐的壳体2优选为一个挤压的铝罐。
图2以一个部分截面表示壳体2的下部区域的放大细节图，该壳体的上部被剖去。壳体2在外部具有一个涂层7，它例如构成抗腐蚀保护和/或对传感器1安装地点的视觉适配。该涂层7例如可具有铜，半光亮镍，光亮镍和/或铬。
振动区段3在其外侧也具有涂层7。在其内表面10上在中心借助一种连接、优选粘接连接在一个固定区域9上固定该换能元件4。在固定区域9的两侧设有一个具有深度s的槽8。槽8围绕固定区域9被构造成一个确定的几何形状，图3中以上方俯视图表示出该槽的一个示范的轮廓，该轮廓由两个圆段及六个长形段组成。当然也可为其它的形状，例如矩形，多角形或由蛇形线形成的区域，所述区域完全包围固定区域9或分开地布置。槽8的长形段包围一个第一槽区域11，该槽区域例如可具有与槽8不同的深度。在第一槽区域11中开设有两个对立布置的圆段形状的第二槽区域12。这用作用于说明不同槽8，11，12的一个例子，这些槽可一起地或单个地被开设在振动区段3的内表面10上。
壳体2通过合适地定尺寸及构型而具有一个谐振频率fR，该频率位于超声波范围中，例如为48kHz。通过与振动区段3连接的换能元件4激励该振动区段3以该谐振频率fR振动。在谐振情况下在这里输入的能量被最小地阻尼及发射的能量为最大。因此必需最佳地调节振动区段3的谐振频率fR。然而，通过涂层7使该谐振频率fR与无涂层7的状态相比被改变。例如一个具有厚度约为80μm的电镀涂层7使谐振频率fR提高约6...7kHz。谐振频率fR正比于振动区段3及被施加的涂层7的总厚度。
与此相应地为了降低振动区段3的谐振频率fR进行材料的去除，该材料去除例如可具有槽8，11或12的形状，及为了提高谐振频率fR例如可进行材料的施加。
图4中示范地表示在壳体2设有一个确定的涂层的供货状态的情况下谐振频率fR与一个槽的深度s、例如槽8的深度之间的关系。谐振频率fR被记录在纵坐标上及深度s被记录在横坐标上。它表示出由不同的试验得到的三个不同的曲线g1...3，它们相对线性地延伸。被测频率的范围在52kHz与54kHz之间。槽8愈深，谐振频率fR愈低。一个制造好的传感器例如具有48kHz+2kHz/-1.5kHz的谐振频率。图4中的测量数据涉及一个还未制造好的传感器。借助图4可容易地理解，在制造好后曲线g1，g2及g3向低频平行地移动，以致可遵守制造好的传感器的容差范围。由该关系可求得一个槽的相应深度s，该深度则可被视为用于产生槽8的加工工具的进给行程zs。由此可导出用于涂层及不涂层的壳体2的加工规程及根据所使用的材料例如列在表格中，所述表格可被用于在一个装置20中调节振动区段3的谐振频率fR的方法，该装置被表示在图5中。
装置20具有一个用于壳体的加工装置13，它设有一个刀具14、例如铣刀，壳体在加工时被固定在一个未示出的固定装置中。刀具14被导入壳体2的内空间中，用于加工振动区段3的内表面10。该刀具可在振动区段3的平面中及与该平面垂直地在进给方向上进行运动。
也可取代铣加工使用一个激光器借助激光蚀刻方法来进行加工，其中工具14是一个用于激光器光学装置的承载件，该光学装置的激光源例如可位于加工装置13中。为了形成一个槽的深度s，例如使加工激光射束相应地聚焦及调节其强度。借助该激光蚀刻方法可实现高的精度。这例如也可通过等离子蚀刻方法来达到，但其中成本更高些。在此情况下将用加工装置13与待加工壳体2的一个相应连接来取代工具14，其中必需采取附加的与方法相关的措施，对于这些措施这里将不详细讨论。
加工装置13与调节装置16相连接，在调节装置上连接着一个测量装置15，用于测量待加工的壳体2的谐振频率fRI。测量装置15例如具有一个发送器及一个接收器及可被暂时地施加在壳体2的振动区段3上。在另一实施例中，测量装置15具有一个接收器及一个可暂时施加在壳体2中的或已安装在壳体2中的换能元件4作为发送器，该换能元件可通过一个导线23连接，如由虚线的连接线所示的。
对于待加工的壳体2的谐振频率fRI的测量，具有多个可能性。振动区段3由施加在其上的换能元件4来激励。振动区段3的在此情况下形成的振动将由设置在外部的测量装置15接收。这里换能元件4可以是一个已施加在振动区段3上并保留在其上的换能元件或是一个可仅为了测量及加工过程施加的换能元件4。还可能是，只有测量装置15可由壳体2外部或内部暂时施加在振动区段3上，其中测量装置用一个自己的换能元件激励振动区段3及用另一个自己的换能元件来测量在此情况下形成的振动。可暂时施加的元件的施加例如可通过机械的夹紧来实现。
调节装置16具有一个输入装置17，用于输入例如用于给定谐振频率fRs的给定值。此外该调节装置16具有一个比较装置，用于比较测量的谐振频率fRI与给定谐振频率fRs。用于不同条件的给定值，即例如对于不同涂层的给定值可预给定地存储在一个存储器装置19中，以便相应的调用。根据来自比较装置18的比较值及来自存储器装置19的其它值通过一个第一接口21对加工装置13进行控制值的传送。此外调节装置16具有一个未示出的计算及控制单元，该单元被这样地构成，即通过加工单元13进行振动区段3的谐振频率fR的可控制的调节。在调节装置16中的一个第二接口22用于使装置20连接到传感器1的批量生产的加工线中。借此可以作到：将该调节装置16与该加工线的一个控制单元这样相连接，使得例如可实现加工线与装置20在传送节拍上的相互适配，其中例如可对在输送方向上装置20前或后的缓冲站进行影响。
壳体2的加工过程可在一个轮次中进行，其方式是首先测量振动区段3的谐振频率fRI，然后进行与给定谐振频率fRs的比较，由该比较产生出相应的加工值。这些加工值例如可为存储在存储器装置19中的表格值及对于确定的比较值形成用于加工装置13的刀具14的进给行程zs的相应值。在加工后可进行一次重新的测量，以检验该新的谐振频率fRI。在谐振频率fRI未被满足的情况下接着所述轮次可进行一个新的轮次。
此外也可以这样加工，其中上述的步骤以多个过程进行，例如以较小的进给行程，由此可提高所实现的谐振频率fR的精度。
本发明不被限制在上述的实施例上，而可用各式各样的形式及方式进行修改。
并且也可考虑谐振频率的改变与材料去除的面或面形状的关系。该关系可通过合适的测量来求得及被转换成相应的加工规程。
例如可考虑，振动区段2可在未施加换能元件4的情况下被加工，其中对固定区域9也可进行面的切除。
并且也可在振动区段3的内表面10上进行附加材料的施加。对此例如可使用确定的自硬化的人造树脂或类似材料，该材料用涂覆工具构型的合适工具14来施加。在此情况下对于工具14的进给所设置的加工值通过调节装置16以一定形式来产生，这些加工值相应于用于待施加材料的施加量的调节值，并且这些加工值被传送给加工装置13，在此情况下该加工装置是用于施加材料的加工装置。
此外还可以是，测量装置15与加工装置13相耦合，其中工具14可被用来导入振动。
还可以考虑，加工工具14仅可在进给行程ZS的方向上运动，其中多个加工工具14仅实施一个钻孔过程。
加工工具14也可为一个激光器。
涂层也可在加工过程后进行。

Claims (20)

1.用于调节传感器(1)的壳体(2)的振动区段(3)的谐振频率的方法，其中该方法具有以下步骤：
方法步骤VS1：用一个测量装置(15)测量振动区段(3)的谐振频率；
方法步骤VS2：将测量的谐振频率与给定谐振频率的一个在先确定的阈值相比较；及
方法步骤VS3：借助该比较在振动区段(3)上产生材料的切除或材料的施加以调节振动区段(3)的谐振频率。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：在壳体(2)的内部进行振动区段(3)上的材料切除或材料施加。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：传感器(1)的壳体(2)的振动区段(3)在壳体(2)的外侧上具有一个涂层(7)。
4.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：用一个施加在振动区段(3)上的测量装置(15)的一个发送器及一个接收器进行谐振频率的测量。
5.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：用一个暂时施加在振动区段(3)上的或被固定在振动区段(3)上的换能元件(4)作为发送器以及一个暂时施加在振动区段(3)上的测量装置(15)的接收器进行谐振频率的测量。
6.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：在换能元件(4)的固定区域(9)之外进行材料切除或材料施加的产生。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于：借助一个工具(14)进行材料切除或材料施加的产生，该工具以根据测量的谐振频率与给定谐振频率之间的比较可确定的形式进行与振动区段(3)的平面平行的移动运动。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于：当前的工具(14)根据测量的谐振频率与给定谐振频率之间的比较在一个方向上被进给，该方向基本上垂直于振动区段(3)的平面。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于：通过铣削方法进行材料切除的产生。
10.根据权利要求7或8的方法，其特征在于：通过激光蚀刻进行材料切除的产生。
11.根据权利要求7或8的方法，其特征在于：通过等离子蚀刻方法进行材料切除的产生。
12.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：通过在多个阶段中重复所述方法步骤VS1至VS3来执行该方法。
13.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：该方法是用于调节超声波传感器的壳体(2)的振动区段(3)的谐振频率的方法。
14.用于一种超声波传感器的壳体(2)，其特征在于：该壳体的一个振动区段(3)具有一个谐振频率，该谐振频率借助根据权利要求1至7中一项的方法调节。
15.根据权利要求14的壳体(2)，其特征在于：所述壳体是膜片罐。
16.用于调节传感器(1)的壳体(2)的振动区段(3)的谐振频率的装置(20)，其中该装置(20)具有以下部分：
-一个用于加工振动区段(3)的加工装置(13)；
-一个用于测量振动区段(3)的谐振频率的测量装置(15)；及
-一个用于调节加工装置(13)以调节振动区段(3)的谐振频率的调节装置(16)，
其中，该加工装置(13)具有一个用于从振动区段(3)切除材料的装置和/或在振动区段(3)上施加附加材料的装置。
17.根据权利要求16的装置(20)，其特征在于：被固定在振动区段(3)上的换能元件(4)是测量装置(15)的一个组成部分。
18.根据权利要求16或17的装置(20)，其特征在于：调节装置(16)具有以下部分：
-用于输入一些值的输入装置(17)；
-用于比较谐振频率的测量值与给定谐振频率的值的比较装置(18)；
-用于存储给定值及可预给定的表格值的存储器装置(19)；及
-用于与加工装置(13)连接的第一接口(21)。
19.根据权利要求18的装置(20)，其特征在于：调节装置(16)具有一个第二接口(22)，用于使装置(20)组合在用于超声波传感器的加工线中。
20.根据权利要求16或17的装置(20)，其特征在于：该装置是用于调节超声波传感器的壳体(2)的振动区段(3)的谐振频率的装置。
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