CN103733086A - 具有纤维增强部的电容式声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声换能器（10），所述声换能器包括基电极（12）和能够振动的膜片（14），所述膜片具有至少一个导电层（20），其中在所述基电极（12）与所述能够振动的膜片（14）的所述导电层之间设有至少一个绝缘层（18），并且所述能够振动的膜片（14）包括纤维增强部（24）。本发明还涉及一种用于制造所述声换能器（10）的方法。

Description

具有纤维增强部的电容式声换能器

技术领域

本发明涉及一种声换能器，其包括基电极和能够振动的膜片，所述膜片具有导电层。本发明还涉及一种用于制造声换能器的方法。

背景技术

声换能器是电/声换能器，其将声能转换为电能或者将电能转换为声能。为了从空间中接收声波或为了将声波发射到空间中，典型地使用能够振动的电极膜片与基电极的组合，从而引起电机械相互作用。这样的声换能器的运行方式在此基于在膜片上的力作用与电极装置的电压之间根据电极之间的距离以及电极装置的电容而产生的直接关联。

超声传感器通常用作声换能器，以便实施距离测量。为此，作为发射器来控制超声传感器，以便发射超声脉冲。在发射之后，超声脉冲在位于超声传感器的有效范围内的对象上反射并且返回到充当接收器的超声传感器上。由超声脉冲的传播时间，在接收器后面的电子装置中确定与进行反射的对象的距离。

由DE102006038597A1公开了一种超声换能器，其可以用作车辆上的距离传感器。所述换能器包括能够振动的膜片电极和与膜片电极间隔地设置的基电极。基电极由设置在电路载体上的印制导线段形成，所述印制导线段又设有覆盖层。膜片电极包括载体层和施加在所述载体上的导电层，其中导电层构造在膜片电极的朝向基电极的一侧上。

以下声换能器也称作Sell换能器：直接置于基电极上的单侧金属化的塑料薄膜用作膜片电极。在此，膜片电极直接置于基电极的表面上的突起部上。通过所述方式在基电极与膜片电极之间构成薄的气垫，膜片电极能在所述气垫中振动。

以上描述类型的声换能器虽然提供了大带宽和高灵敏度。然而，声换能器仅仅通过薄的膜片来保护以免环境影响——例如潮湿，所述膜片具有低机械稳健性。因此，在恶劣周围环境中的应用时，由于外部的作用——例如机械作用或振动容易出现膜片中的裂纹。这种裂纹降低膜片的稳定性并且有助于潮湿侵入，这可以负面地影响换能器并且尤其在冰冻时会导致声换能器的完全损毁。

发明内容

根据本发明建议一种声换能器，尤其是超声换能器，其包括基电极和具有至少一个导电层的能够振动的膜片，其中在基电极与能够振动的膜片的导电层之间设有至少一个绝缘层并且能够振动的膜片包括纤维增强部。

在一种优选实施方式中，声换能器构造为Sell换能器，其中基电极具有表面粗糙部并且膜片具有至少一个绝缘层和至少一个导电层。此外，膜片可以以至少一个绝缘层直接置于基电极上。

基电极可以在本发明的范畴内实心地由导电材料——如红铜、黄铜或者钨制造或构造为印刷电路板。

对于根据本发明的声换能器作为Sell换能器的实施，可以决定性地通过用于制造的方法来确定基电极的表面粗糙部。这样，在实心电极的情形中还可以通过磨光、蒸镀或研磨来分别形成另一表面粗糙部。替代地或附加地，可以通过例如借助溅射、蚀刻、铣削或者借助施加具有特定形状——例如V形或U形的凹口的有意表面结构化来实现表面粗糙部。同样在印刷电路板的情形中，可以使用标准方法来结构化印刷电路板上的印制导线段以产生基电极。使用印刷电路板在此具有如下优点：印刷电路板可以设有附加的电路元件。

基电极的表面粗糙部确定在基电极与膜片之间放置膜片时形成的空腔的体积。表面粗糙部于是确定膜片能够在其中振动的体积。因此，与诸如膜片硬度的其他因素一起，表面粗糙部影响Sell换能器的谐振频率。在使用聚合物膜片时，Sell换能器的基电极的相应表面粗糙部可以在微米范围内，例如达到100μm。谐振频率可以根据基电极和膜片的实施位于对于人耳而言可感知的范围内或位于对于人耳而言不可感知的超声范围内。尤其是，可以在谐振频率以下运行根据本发明的声换能器。

在根据本发明的声换能器的一种实施方式中，膜片可以由至少一种聚合物制造，其中所述聚合物可以是聚酰胺（PA）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、双轴取向PET、聚砜（PSu）、聚丙烯腈、全氟化或部分氟化的聚合物、部分结晶的聚合物——例如聚氟乙烯（PVF）或氟乙烯与四氟乙烯或三氟乙烯的共聚物、尤其是双轴延伸的聚偏氟乙烯（PVDF）。

根据本发明的声换能器的替代实施方式也可以具有由至少一种金属构成的膜片。

膜片优选构造为柔性膜片，其具有数微米到数百微米的厚度。在另一种实施方式中，膜片包括多个层——优选一个导电层、必要时一个绝缘层和必要时一个纤维层。

导电层可以作为独立的层设置在膜片中或嵌埋到绝缘层中。在另一种实施方式中，导电层可以通过例如膜片的金属化或者通过在膜片中施加例如金属颗粒、金属纤维或至少一个金属薄膜来实现。在使用金属纤维的情形中，不仅纤维增强而且导电性可以共同在一个层中实现，而无需其他措施。优选地，导电层通过导电碳纤维形成。

在一种实施方式中，导电层构造在膜片的上部区域中。在此，膜片的上部区域表示位于与基电极邻接的绝缘层与膜片的与基电极背离的一侧之间的区域。为了构造根据本发明的声换能器的电极装置，可以将膜片以绝缘层施加到基电极上，使得基电极和导电层彼此电绝缘并且形成与板式电容器类似的结构。膜片在此可以通过常用的固定手段——如粘接或夹持在边缘区域中固定在基电极上。

在另一种实施方式中，纤维增强部可以设置在绝缘层上方，所述绝缘层与基电极紧邻。优选地，纤维增强部设置在膜片的上部区域中。在此，膜片的上部区域表示位于与基电极邻接的绝缘层和膜片的背离基电极的一侧之间的区域。特别优选地，纤维增强部构造在膜片的背离基电极的一侧上。

纤维增强部可以通过在膜片中、尤其导电层和/或绝缘层中施加纤维来实现。纤维可以是具有0.1mm到1mm长度的短纤维、具有1mm到50mm长度的长纤维和/或连续纤维。各个纤维优选嵌埋到膜片中并且可以有序地和/或无序地分布。附加地或替代地，纤维可以有序地和/或无序地包含在至少一个面状织物中，其中面状织物优选嵌埋到膜片中。在此，面状织物可以包括有序的和/或无序的纤维，其包含在织物、多轴纺织物、编织物、精细裁制物、间隔织物、针织物、纺织物、纤维网、毡或绒头织物中。优选为织物。

通常，织物、纺织物或针织物由连续纤维形成，其例如可以在一个平面中伸展地存在、可以具有波动——即人工施加的波和/或可以以所有三个空间方向上的分量分布。短纤维和长纤维典型地包含在纤维网、毡或绒头织物中，其中各个纤维同样可以在一个平面中延展和/或不延展地以所有三个空间方向上的分量存在。

此外，纤维增强部可以设置为至少一个纤维层，在所述至少一个纤维层中纤维可以有序地和/或无序地沿着所述层分布和/或沿着所述层包含在面状织物中——如织物、多轴纺织物、编织物、精细裁制物、间隔织物、针织物、纺织物、纤维网、毡或绒头织物中。在所述构型中，纤维在一个维度上的布置限于所述纤维层并且纤维基本上布置在二维的纤维层的平面中。纤维层在此可以具有1μm和500μm之间、优选在7μm和150μm之间的厚度。

在本发明的范畴内使用的纤维优选具有高强度，以便提高膜片的稳定性。优选地，强度通过牵拉强度来确定，所述牵拉强度对于各个纤维而言可以在2000MPa和7000MPa之间、优选在3000MPa和5000MPa之间。此外，合成纤维——如聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酸胺纤维、矿物纤维、尤其玄武岩纤维或者这些纤维中的一种或多种的任意组合提供这些特性。纤维增强部的纤维还可以具有相同的或不同的尺寸。纤维的长度和/或横截面可以变化。

根据本发明建议一种用于制造如以上描述的声换能器的方法，所述方法包括如下步骤：

a）制造基电极；

b）制造能够振动的膜片，其中能够振动的膜片包括至少一个导电层和一个纤维增强部或者能够振动的膜片具有导电的纤维增强部；

c）将能够振动的膜片施加到基电极上。

在根据本发明的制造方法的构型中，基电极实心地由金属材料构造或构造为印刷电路板。对于声换能器作为Sell换能器的实施，基电极还设有表面粗糙部，其尤其可以通过抛光、蒸镀或研磨来调节。替代地或者附加地，表面粗糙部可以通过结构化表面——例如通过溅射、蚀刻或铣削特定形状、如V形或U形的凹口来实现。在印刷电路板的情形中，也可以使用标准方法在印刷电路板上结构化印制导线段以制造基电极。印刷电路板的使用在此具有如下优点：印刷电路板可以设置有附加的电路元件。

在根据本发明的制造方法的另一种构型中，通过层压、注塑、注射挤压、挤出或牵引来制造膜片。此外，可以由至少一种聚合物制造膜片，其中所述聚合物可以是聚酰胺（PA）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、双轴取向PET、聚砜（PSu）、聚丙烯腈、全氟化或部分氟化的聚合物、部分结晶的聚合物——例如聚氟乙烯（PVF）或氟乙烯与四氟乙烯或三氟乙烯的共聚物、尤其是双轴延伸的聚偏氟乙烯（PVDF）。根据本发明的换能器的替代实施方式也可以具有由至少一种金属构成的膜片。

在根据本发明的制造方法的另一种构型中，单侧金属化膜片，以便在膜片的背离基电极的一侧上构造至少一个导电层而在膜片的朝向基电极的一侧上构造至少一个绝缘层。可以借助导电纤维——如碳纤维来制造导电层。通过所述方式不仅可以实现所述层的导电性而且可以实现所述层的增强作用。在根据本发明的用于构造为Sell换能器的超声传感器的制造方法的另一种构型中，将膜片以绝缘层中的至少一个直接施加到基电极上。

优选地，在绝缘层上方施加纤维增强部，所述绝缘层与基电极紧邻。在根据本发明的制造方法的另一种变型方案中，在膜片的上部区域中施加纤维增强部。此外，可以在膜片的背离基电极的一侧上施加纤维增强部。

可以通过不同方式实现在膜片中施加纤维增强部，其中纤维增强部可以包括0.1mm到1mm长度的短纤维、1mm到50mm长度的长纤维和/或连续纤维，其可以有序地和/或无序地分布和/或可以包含在有序的和/或无序的面状织物中。这种纤维增强部可以在膜片硬化之前施加到膜片中或与膜片粘接。也可以直接制造具有纤维的膜片。

本发明的优点

本发明能够通过简单的方式和方法提高换能器、尤其超声换能器的机械稳健性并且有效地保护其免受环境影响。这样，通过在膜片中设置纤维增强部的方式例如可以避免换能器的膜片上由于外部作用而出现裂纹。

为此使用与膜片的其他组件相比具有高硬度以及能够吸收牵拉力和/或压力的纤维。在此决定性地沿着各个纤维来实现纤维的所述作用。相反，横向于各个纤维得到与膜片的其他组件类似的抗拉强度和/或抗压强度。因此，可以通过使各个纤维在不同空间方向上的不同布置或者通过各个纤维的不同尺寸使纤维增强部的作用匹配于相应要求。通过纤维增强部尤其可以确保尽管存在环境影响但膜片保持完好并且保护换能器的内部免受潮湿影响。这在总体上导致换能器的更高可靠性和换能器的更长寿命，所述换能器附加地可以简单且成本低廉地制造。

与设置附加的保护层相比，通过根据本发明建议的解决方案仅仅最小程度地增加膜片的质量。由此，保持构造为Sell换能器的声换能器的高灵敏度和大带宽。根据本发明建议的声换能器因此特别适于恶劣周围环境中的应用并且尤其特别适于作为距离传感器的使用。

附图说明

在附图中示出并且在以下描述中详细阐述本发明的实施例。

图1以示意图示出构造为Sell换能器的根据本发明的声换能器，

图2以细节视图示出根据图1的声换能器，

图3以细节视图示出根据本发明的具有纤维增强的膜片的声换能器的示例性实施，

图4以细节视图示出根据本发明的具有纤维增强的膜片的声换能器的另一示例性实施，其中示出了牵拉力对膜片的作用，

图5示出根据本发明的具有通过纤维织物增强的膜片的声换能器的另一示例性实施，

图6示出描绘用于制造根据本发明的声换能器的过程的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出声换能器的结构，所述声换能器构造为Sell换能器10。所述声换能器包括实心的基电极12，其由金属制造。能够振动的膜片14张紧在基电极12上方，所述膜片具有绝缘层18和金属化层20。为了激励Sell换能器10在传播方向13上发射声波，在基电极12与膜片14之间施加交流电压U。在此，可以在谐振频率以下运行Sell换能器10，以便产生带宽更宽的频谱。替代地，Sell换能器10可以接收在传播方向15上被对象反射的声波，其方式是，探测基电极12与膜片14之间的电压曲线U的变化。在发射和接收超声波时，Sell换能器10的膜片侧形成敏感侧，其朝向待探测的对象。

在图2中示意性地示出了Sell换能器10的基电极12和膜片14的细节视图。基电极12具有表面粗糙部23，其在所示实施方式中具有波浪形的形廓。在其他实施方式中，表面粗糙部23也可以具有其他形廓，尤其是由制造技术决定的不规则性已经足够。膜片14可以由聚合物——如PI、PET、PVF、PVDF、PA或PSu或组合物组合来制造。膜片14还包括导电层20，其例如可以通过施加金属颗粒、导电碳纤维或炭黑颗粒制造。在此，将颗粒单侧地施加到膜片14中，使得绝缘层18保持存在。也可以逐层地通过粘接导电层和绝缘层18、20来制造膜片。替代地，可以在膜片14上气相沉积导电层。

在声换能器中，膜片14以绝缘层18位于基电极12的突起部21上。由此基电极12和膜片14的形成对应电极的导电层20彼此电绝缘。结构因此类似于板式电容器，其中基电极12的表面粗糙部23和绝缘层18的厚度决定性地影响所述结构的电容。

在基电极12的粗糙表面23与膜片14之间还构造有空腔22，膜片14可以在所述空腔中振动。空腔22的体积可以影响声换能器10的谐振频率，因为能够振动的膜片14的节点由基电极12的突起部21给定，膜片14置于所述突起部上。空腔影响膜片的硬度并且尤其确定声换能器的频谱。空腔22的体积附加地影响能够振动的膜片14的最大振幅。

图3示例性地示出膜片14的一种实施方式，所述膜片包括绝缘层18和导电层20。所述膜片14在此以绝缘层18置于基电极12上，所述基电极具有表面粗糙部23。在所述示例中，表面粗糙部23由不规则的突起部21形成。由此形成具有不同体积的空腔22，其中较大的体积导致膜片的低硬度并且由此得到较低的谐振频率。附加地，可以在谐振频率以下运行声换能器10，以便产生带宽更宽的频谱。

膜片14除绝缘层18和导电层20以外还包括纤维增强部24。在图3中示出的实施方式中，纤维增强部24设置在膜片表面附近的上部区域26中。纤维增强部24此外通过纤维层中的各个无序分布的纤维构造，其中纤维层构造在膜片14的导电层20中。各个纤维在此具有不同的长度并且可以在直径方面不同。

如果如在图4中示例性示出的那样物体28碰到纤维增强的膜片14，则牵拉应力30作用到膜片14上。由此，膜片14变形，其中图4中的虚线表示膜片14的原始状态。通过纤维增强部24，提高膜片14的强度并且由此提高膜片14的机械稳健性。因此，纤维尤其在表面上给予膜片14更高的强度。通过所述方式保护声换能器10以免外部影响，其方式是，由纤维吸收牵拉力并且因此避免膜片14的裂纹或其他损伤。

在图5中示例性示出了纤维增强的膜片14的另一种实施方式。类似于图3，膜片14包括绝缘层18和导电层20，其中膜片14以绝缘层18直接置于具有表面粗糙部23的基电极12上。

在图5中示出的实施方式中，纤维增强部24同样设置在膜片表面附近的上部区域26中。纤维增强部24还包括纤维层27，其可以构造为织物、多轴纺织物、编织物、精细裁制物、间隔织物、针织物、纺织物、纤维网、毡或绒头织物。在有序的纤维层27——例如针织物中，纤维典型地沿着纵向轨迹和/或横向轨迹走向。当然，纤维也可以无序地沿着纤维层27布置，如这对于毡或绒头织物是典型的。纤维层还平行于膜片14的表面取向。通过纤维层27和尤其是通过具有沿着纵向轨迹和/或横向轨迹的纤维的有序的纤维层27可以实现高强度并且因此尤其在表面上使膜片14稳定。

除纤维在纤维中27中的布置以外，各个纤维的长度和尺寸也可以变化。关于膜片14的强度、尤其是抗拉强度，使用长纤维或连续纤维已证明是有利的。相反，具有包括短纤维的纤维增强部24的膜片具有膜片14的更高抗压强度。不仅短纤维而且长纤维或连续纤维可以直接在注塑或挤出中施加到膜片14中。然而，长纤维在此沿着流动路径取向。

图6描绘一种用于制造根据本发明建议的声换能器10的变型方案，所述声换能器构造为Sell换能器。为此，在步骤100中制造基电极12，其实心地构造并且具有表面粗糙部23。在步骤102中，由聚合物、如PVDF制造膜片14。在所述制造步骤的范畴内，将导电层20和用于纤维增强部24的纤维单侧地施加到膜片14中，使得在膜片14的相对置的一侧上保留绝缘层18。

替代地，也可以分别单独地制造并且接着通过例如粘接或焊接来彼此材料锁合地连接膜片14的各个层18、20、24。纤维增强部24的纤维在两种情形中在膜片14的上部区域中施加到导电层20中并且给予膜片14更高的稳定性。在最后的步骤中，将膜片14固定在基电极12上，其中将膜片14的绝缘层18直接设置在基电极12上。

通过纤维增强的膜片14保护声换能器10以免外部影响。尤其在用作例如用于行进平台的间距测量器时，声换能器10如此定向用于发射和/或接收超声波，使得能够探测环境中的对象。在此，超声波经过能够振动的膜片14传播到所涉及的周围环境中或通过能够振动的膜片14从所涉及的周围环境中被探测。因此，膜片14经受典型地出现在恶劣周围环境中的所有环境影响。例如作用、振动或潮湿会作用于膜片14。尤其在这样的条件下膜片14的纤维增强部24为声换能器10提供可靠的保护。

Claims (13)

1.一种声换能器（10），所述声换能器包括基电极（12）和能够振动的膜片（14），所述膜片具有至少一个导电层（20），其中，在所述基电极（12）与所述能够振动的膜片（14）的所述导电层之间设有至少一个绝缘层（18），其特征在于，所述能够振动的膜片（14）包括纤维增强部（24）。

2.根据权利要求1所述的声换能器（10），其特征在于，所述膜片（14）具有至少一个绝缘层（18）和至少一个导电层（20）。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述基电极（12）具有表面粗糙部（20），并且所述膜片（14）以至少一个绝缘层（18）直接置于所述基电极（12）上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）设置在所述膜片（14）的上部区域（26）中，优选设置在所述膜片（14）的背离所述基电极（12）的一侧上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）通过在所述膜片（14）中施加纤维来实现。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）包括短纤维、长纤维和/或连续纤维。

7.根据权利要求6所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）包括各个嵌埋到所述膜片（14）中的纤维，所述纤维能够有序地和/或无序地分布和/或有序地和/或无序地包含在至少一个面状织物中。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）设置为至少一个纤维层（27），在所述至少一个纤维层中纤维有序地和/或无序地沿着所述层分布和/或在面状织物中沿着所述层布置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）包括合成纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酸胺纤维、矿物纤维或其组合。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的声换能器（10），其特征在于，所述纤维增强部（24）具有尺寸相同或尺寸不同的纤维。

11.一种用于制造声换能器（10）的方法，所述方法包括如下步骤：

a）制造（100）基电极（12）；

b）制造（102）能够振动的膜片（14），其中，所述能够振动的膜片（14）包括至少一个导电层（20）和一个纤维增强部（24）或所述能够振动的膜片具有导电的纤维增强部（24）；

c）将所述能够振动的膜片（14）施加（104）到所述基电极（12）上。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述能够振动的膜片（14）直接施加到所述基电极（12）上，以及在将所述膜片（14）施加到所述基电极（12）上时在所述基电极（12）和所述膜片（14）的导电层之间设置至少一个绝缘层（18）。

13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其特征在于，在所述膜片（14）的上部区域（26）中并且优选在所述膜片（14）的背离所述基电极（12）的一侧上施加所述纤维增强部（24）。

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