CN104603870B - 具有由纤维复合材料制成的膜片的声学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声学传感器(10)，其包括具有转换器元件(16)的有振动能力的膜片(12)并且具有传感器壳体(14)，其中，所述膜片(12)由纤维复合材料制造并且作为单独的部件与所述传感器壳体(14)连接。本发明还涉及所述声学传感器(10)的应用及其制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学传感器，其包括传感器壳体和具有压电致动器的有振动能力的膜片。本发明还涉及所述传感器的应用及其制造方法。
背景技术
在一般情况下声学传感器将声学信号或通过声学信号引起的可变声压(Schallwechseldrücke)变换成电信号、尤其电压。在这种情况下声学传感器用作接收器。反之声学传感器也可以作为发射器起作用，其将电信号转换成声学信号。为了从空间接收声学信号或向空间发射声学信号通常使用由有振动能力的膜片与结合压电致动器的组合，以便引起机电交互作用。在此，这种传感器的作用方式以膜片的弹性变形与由此在压电材料中导致的电压(压电效应)之间的直接关系为基础。
在汽车工业中将这种类型的声学传感器、尤其超声波传感器作为距离传感器使用，以便例如在驾驶辅助系统内执行距离测量。对此，控制作为发射器的超声波传感器用于发射超声波脉冲，并且通过作为接收器起作用的超声波传感器探测被反射的超声波脉冲。在此可以使用不同构型的超声波传感器。
从DE 10 2010 044 995 A1中已知一种用于驾驶辅助装置的超声波转换器，所述超声波转换器两件式地以转换器罐形式构型。在此，膜片具有由第一材料制成的底，所述底构造有由与第一材料制不同的第二材料制成的空心体。此外，由金属材料制成的膜片通过粘接部与由一种非金属材料制成的空心体连接。
从DE10 2008 040 905 A1中已知一种具有壳体的超声波传感器，所述超声波传感器一件式地构型为罐式转换器。在此，超声波传感器包括底面和环形包围所述底面的由金属材料制成的侧壁。从EP 0 308 931 A1中已知一种罐式转换器形式的超声波转换器的另一实施方式。在此，膜片形成一件式实施的罐式转换器的底并且包括纤维复合材料，其他组成部分——如与压电陶瓷复合的聚酰亚胺层与所述纤维复合材料邻接。
以上所述类型的声学传感器在其功能方式方面如下受限制，对于距离测量仅仅能够使用低带宽的信号频率。附加地，振动衰减时间长并且限制可实现的扫描频率。
但是对于一些应用——如驾驶辅助系统范围中的环境检测，对声学传感器提出高要求。例如传感器和所属测量参数应能够最佳地与在行驶期间变化的环境匹配。由此能够分别根据情况提高扫描率并且因此提高系统的精度。例如在运动的、在反射中使频率发生偏移的对象的情况下产生一个问题。如果传感器是窄带的，则具有已偏移的频率的回波信号不再能够被充分地接收。因此，持续的兴趣在于，如此设计传感器，使得在宽的参数范围上也能够实现可靠的测量运行。
发明内容
根据本发明提出一种声学传感器、尤其超声波传感器，其包括传感器壳体并且具有转换器元件的、尤其压电致动器的有振动能力的膜片，其中，膜片由纤维复合材料制造并且作为单独的部件与传感器壳体连接。
根据本发明的声学传感器的传感器壳体可以由至少在一侧是敞开的空心体形成。在这里有振动能力的膜片设置在空心体的敞开的端面处。因此，膜片形成传感器壳体的底，并且声学传感器构造为声学罐式转换器。优选地，空心体在两侧敞开地构型，以便必要时将用于运行传感器的装置、尤其是控制和调节电子元件连接在与膜片相对置的端面之上。
传感器壳体的或空心体的侧壁在与膜片平行的平面内具有多角形的、圆形的或椭圆形的轮廓。此外，侧壁可以以恒定的壁厚或阶梯状的内部轮廓实施，其中，阶梯状的内部轮廓在侧壁的圆周上沿着整个圆周或分区段地构造。阶梯状在这里表示，侧壁包括不同壁厚的至少两个区段。例如与膜片邻接的下侧壁区段比上侧壁区段具有较大的壁厚。在此，上侧壁区段可以在大于10％并且尤其小于90％之上延伸。此外，可以在这两个侧壁区段之间构造至少一个合适的、尤其朝侧壁倾斜约45°的区段。
尤其铝、陶瓷、塑料或者钢适合作为用于传感器壳体或空心体的材料。此外，传感器壳体的材料可以与膜片的材料相符并且同样包括纤维复合材料。在此，膜片与传感器壳体可以包括相同的或不同的纤维复合材料。传感器壳体或空心体优选由铝或陶瓷制造。
在本发明的一个实施方式中，所述传感器壳体包括至少一个用于所述膜片的支承面，在所述支承面中构造有至少一个定向元件。在这里所述支承面代表在端面布置在空心体处的面，声学传感器的膜片与所述面连接。在此，支撑面中的定向元件如此构型，使得影响声学传感器的方向特性。在声学中通常将所接收的或发射的波的强度的角度相关性称作方向特性，其中，强度与在主方向上、即膜片法线上的敏感度或密集度相关。除了定向元件以外，方向特性也通过有振动能力的膜片的形状或其构型确定。
优选地，定向元件通过支承面内的至少一个凹部形成。在此，定向元件可以包括不同尺寸的凹部，其例如通过溅镀、蚀刻、铣削或者通过置入具有特殊形状的——例如V形或U形的刻槽来置入支承面中。例如所述凹部可以逐区段地或环绕地在支承面中延伸。此外，凹部可以具有不同的深度和宽度。在一个特别优选的实施方式中，恰恰凹部环绕地并且在中心设置在支承面中。但定向元件的明确实施可以采用不同的形状，它们分别不同地影响方向特性。在此，定向元件导致振动形式的变化，其中，尤其膜片可以更进一步地偏转。因此可能的是，使定向元件与要实现的方向特性相匹配。
在本发明的范围内，膜片由纤维复合材料制造并且作为单独的部件与传感器壳体连接。在此，膜片构型为具有从几微米到几百微米的厚度的柔性膜片并且为了机电能量转换而与转换器元件——例如压电致动器连接。优选地，膜片由与传感器壳体不同的材料制造。因此，膜片作为独立的部件制造并且与例如传感器壳体的敞开的端面连接地形成声学传感器。通常膜片可以通过粘接、夹紧或焊接材料锁合地固定在传感器壳体上。
纤维复合材料通常包括至少一种具有嵌入的纤维的基质材料。此外，合成纤维如聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维板、矿物纤维、例如玄武岩纤维或上述一种或多种纤维的任意组合都适合作为纤维。在一种优选的实施方式中，膜片的纤维复合材料包括由具有嵌入的碳纤维的基质材料形成的碳纤维增强材料。
基质材料可以由陶瓷或至少一种塑料制造，其中，所述塑料包括选自以下的一个或多个组分：聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双轴取向的PET、聚砜(PSu)、聚丙烯腈、全氟化聚合物或部分氟化聚合物、半结晶聚合物——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、环氧树脂(EP)、酚醛树脂、聚酯树脂或乙烯基酯树脂。在一个优选的实施方式中选择环氧树脂作为基质材料。
根据本发明的传感器的可替代的实施方式也可以包括多层的复合材料，所述复合材料可以附加地具有至少一个金属层。在此，纤维复合材料的选择基本上取决于特征值ρ3/E，其中，ρ代表膜片的密度，E代表膜片的弹性模量。纤维复合材料的密度优选位于0.3g/cm3-10g/cm3之间，特别优选位于0.5g/cm3-5g/cm3之间，完全特别优选位于1g/cm3-3g/cm3之间。因此，例如大约1.5g/cm3的碳纤维增强复合材料的密度小于大约2.7g/cm3的铝密度。纤维复合材料的弹性模量优选位于0.1GPa-10000GPa之间，特别优选位于1GPa-1000GPa之间，完全特别优选位于10GPa-100GPa之间。如果弹性模量如在上述实施例中那样可比，则因此对于纤维复合材料得出较小的特征值，并且导致用于声学传感器的较大的带宽。以铝的特征值为标准值，纤维复合材料的特征值优选为铝的特征值0.1-0.95倍。纤维复合材料的特征值优选小于铝的特征值的0.8倍，特别优选小于铝的特征值的0.6倍。在上述示例中碳纤维增强复合材料的特征值为大约0.55。
纤维、尤其碳纤维可以构造为长度为0.1mm-1mm的短纤维，长度为1mm-50mm的长纤维和/或连续纤维。纤维可以无序地、多向地、双向地或单向地布置在基质材料中。在此，多向表示在至少三个不同方向上的纤维走向，优选相对膜片平面中的基准线呈0°或90°和45°角。双向的纤维走向的特征在于，纤维沿两个方向、优选相对膜片平面中的基准线呈0°和90°延伸。如果纤维仅沿一个方向在膜片平面中延伸，则存在单向布置。在典型的纤维复合材料中纤维基本上布置在一个平面中，其中，所述平面通常与膜片平面相符。
根据本发明提出一种用于制造如上所述声学传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供由纤维复合材料制成的膜片，所述膜片能够与所述转换器元件连接，
b)提供传感器壳体，
c)将所述膜片与所述传感器壳体连接。
在根据本发明的制造方法的一个优选构型中提供包括由具有嵌入的碳纤维的基质材料形成的碳纤维增强塑料的膜片。它可以如上所述地构造。
所提供传感器壳体可以由金属——例如铝或钢、陶瓷或塑料制造。替代地，传感器壳体的材料也可以与膜片的材料相符并且同样包括纤维复合材料。在此，膜片和传感器壳体可以包括相同的或不同的纤维复合材料。此外，传感器壳体由至少在一侧敞开的空心体形成，膜片可以与所述空心体连接。膜片优选可以通过粘接、夹紧或焊接与传感器壳体连接。
在另一个优选实施方式中，所提供的传感器壳体在支承面中包括定向元件，所述定向元件影响传感器的方向特性。这些元件可以如上所述地构型。因此，在传感器壳体的支承面中可以设置凹部，所述凹部例如通过刻槽、蚀刻或已经在传感器壳体的制造过程中以相应的形状置入。
本发明的另一个主题是所述声学传感器在驾驶辅助系统中的应用，其用于环境检测和尤其距离测量。
本发明的优点
本发明使得可能的是，提供一种声学传感器，所述声学传感器可简单地制造并且可以在不同的应用中在一个宽的参数范围上、尤其在一个较大的带宽运行。因此，膜片和传感器壳体作为单独的部件制造。由此可以相应地如此实施两个单个部件，即膜片和传感器壳体，使得声学传感器对于规定的应用具有最佳的工作范围。同时可以使制造成本和材料成本保持得低，这是因为，声学传感器的两件式实施一方面可简单实施并且另一方面在制造过程中也提供必要的结构灵活性。
因此，膜片尤其可以由纤维复合材料制造，其中，纤维复合材料能够以不同的实施存在，所述实施同样对根据本发明的传感器的发射频谱产生影响。与金属膜片相比这尤其积极地影响声学传感器的带宽和振动衰减时间。
因此，纤维复合材料一方面具有小的刚度并且另一方面具有小的质量。这导致，提高了声学传感器的带宽。在这里刚度表示膜片的抗变形阻力。刚度不仅与材料相关而且也与几何形状和负荷类型——例如抗弯刚度、抗张刚度或抗扭刚度相关。由于振动质量的减小，在振动衰减中必须消除(vernichten)更少的动能并且系统更快地停止振动。因此可以例如在距离测量中减小声学传感器的可测量的最小距离。因此，具有由纤维复合材料制成的膜片的声学传感器相对金属系统拥有更大的带宽和更短的振动衰减时间。
此外，通过在纤维复合材料的构型方面的多种多样的变型可以改善附加的参数，例如声学传感器的方向特性。因此，除了所使用的基质材料之外，纤维的布置及其构型也对声学传感器的发射频谱具有影响。此外，例如可以使声学传感器的方向特性与相应的要求匹配。这种作用主要通过纤维的各向异性实现，其中，膜片沿着各个纤维刚度更大。相反，横向于各个纤维地产生与膜片的其他组分类似的抗拉强度和/或抗压强度。
因此，通过使用纤维复合材料提供其他结构部件，通过所述部件的特性可以使声学传感器最佳地与所期望的应用匹配，例如在驾驶辅助系统中用于测量距离。
本发明的其他优点由传感器壳体的构造产生。在无膜片的情况下传感器壳体的单独制造尤其使得可能的是，可以由更便宜的并且附加地能够简单加工的材料制造传感器壳体。此外，通过传感器壳体与膜片的两件式实施以及其材料选择能够有利地影响从模式的位置。附加的元件在传感器壳体中的设置也可以影响声学传感器的发射频谱。因此，通过传感器壳体的支承面中的定向元件可以匹配传感器的方向特性。此外，传感器壳体的阶梯式实施允许抑制不想要的从模式。
附图说明
在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述本发明的实施例。
在此：
图1示出根据本发明的声学传感器的一种实施方式，其具有由纤维复合材料单独制造的膜片；
图2示出根据图1的声学传感器的频谱与具有铝膜片的声学传感器的频谱相比较；
图3示出根据本发明的传感器的另一种实施方式，其具有在传感器壳体的支承面中的附加的元件；
图4示出一个流程图，其说明用于制造根据本发明的传感器的方法的过程。
具体实施方式
图1示意性地示出声学传感器10的结构，所述声学传感器构型为罐式转换器。该声学传感器包括膜片12，所述膜片由纤维复合材料——例如碳纤维增强塑料制造。膜片12与压电致动器16连接，所述压电致动器作为转换器元件传递声学传感器10的机电交互作用。此外，压电致动器16通过开口13与电子调节和控制元件连接，它们在图1中未示出。
为了构造罐式转换器10，传感器壳体14成型为空心体，所述空心体在两个端面13、15处是敞开的。在此，空心体14的一个端面15与膜片12连接。例如膜片12可以粘接在传感器壳体的或空心体14的支承面18上。此外，传感器壳体14的环绕的侧壁17包括两个壁区段20、22，它们具有阶梯式内部轮廓。在此，所述内部轮廓逐区段地在侧壁17的圆周处实现。由此影响声学传感器10的振动特性，其方式是，尤其更强地抑制从模式。这使得尤其在驾驶辅助系统中的距离测量的情况下能够实现改善的近距离测量能力。
通过附加的定向元件28提供另一种影响声学传感器10的发射频谱的可能性，所述定向元件设置在传感器壳体14中。在图1所示的实施方式中在支承面18中设置凹部28，所述凹部在中心置入传感器壳体14的支承面18中。因此，膜片12不是通过完整的面与支承面18连接，而是仅仅借助未挖空的部分。膜片12由此在支承面18的区域中也是有振动能力的，由此改变膜片的振动形式并且膜片能够更进一步地偏转。
图2示出一个曲线图，其清楚地说明了膜片中心的最大速度30根据频率32的特性。在此，膜片中心的最大速度30以mm/s给出并且频率32以Hz给出。实线表示铝膜片的膜片中心的最大速度30的变化过程。该实线具有大约7kHz的6dB带宽。
与此相对，虚线示出碳纤维增强膜片12的膜片中心的最大速度30的变化过程。在这种情况下产生至10kHz的6dB带宽并且因此大于用于铝膜片的带宽。据此，对于具有碳纤维增强膜片12的声学传感器10基于较小小的刚度和较小的质量而比对于具有铝膜片的传感器产生较大的带宽。同时由于较小的质量，在振动衰减中必须被耗散的动能减小，这又导致减小的振动衰减时间。
在此，纤维复合材料的选择基本上取决于特征值ρ3/E，其中，ρ表示膜片的密度，E表示弹性模量。在所示示例中，大约1.5g/cm3的碳纤维增强材料密度低于大约2.7g/cm3的铝密度。相反，这两种材料的弹性模量可比。这导致，由碳纤维增强塑料制成的膜片较轻约系数2，这造成6dB带宽从约7kHz到10kHz的改善。因此，在作为距离传感器的应用中，根据本发明的声学传感器可以更灵活地使用，这是因为，一方面频带较宽约固有频率并且另一方面可测量的最小距离减小。
在图3中示出根据本发明的声学传感器10的另一个实施方式。在这里膜片12也通过碳纤维增强塑料制造并且作为单独的部件安装在传感器壳体14上。与在图1中所示的声学传感器10不同，所述传感器壳体14不具有阶梯状的内部轮廓并且配有恒定的轮廓。此外，膜片12与压电致动器16连接，所述压电致动器将声能转换成电能或相反地将电能转换成声能。
传感器壳体14附加地具有元件28，所述元件影响声学传感器10的方向特性。因此，在支承面18中设置有凹部28，所述凹部在中心设置在传感器壳体14的支承面18中。因此，膜片12不是通过完整的面与支承面18连接，而是仅借助未挖空的部分。
此外，在图3中还示例性地示出在具有凹部28或不具有凹部28的情况下膜片12的偏转38、40。如果在传感器壳体14中没有设置凹部28，则膜片12通过完整的支承面18与传感器壳体14连接。因此，当膜片12偏转时这些区域是固定的并且阻碍偏转。与此相反，在传感器壳体14的支承面18中的凹部28使得可能的是，膜片12在以下区域42中也保持可运动：在所述区域中膜片与传感器壳体14连接。这如此影响膜片的偏转，使得在膜片12的边缘处具有较大的柔韧性并且因此能够避免与壳体14处的连接部42的应力。
图4以流程图100形式说明用于制造根据本发明提出的声学传感器10的变型。为此在步骤102中提供膜片12，所述膜片由纤维复合材料单独制造并且可以与转换器元件16——例如压电致动器连接。在步骤102中提供传感器壳体14。所述传感器壳体可以包括其他元件，例如在支承面18中的环绕的凹部或在壁区段20、22中的阶梯状的内部轮廓，它们可以借助常用的加工方法构造。随后在步骤106中通过例如粘接或焊接使传感器壳体14和膜片12材料锁合地相互连接。
根据本发明的传感器通过由纤维复合材料、尤其碳纤维增强塑料单独制造的膜片12提供改善的发射和接收特性。一方面基于用于纤维复合材料的变型可能性产生在膜片12的制造方面的大的灵活性。这附加地通过以下方式简化，将传感器壳体14和膜片12作为单独的部件制造并且随后相互连接。传感器壳体14的构型也能够实现简单的并且低成本的制造。最后，传感器壳体14的、尤其具有凹部28的传感器壳体14的实施也有利地影响声学传感器10的方向特性。
Claims (9)
1.一种声学传感器(10)，其包括具有转换器元件(16)的有振动能力的膜片(12)并且具有传感器壳体(14)，其特征在于，所述膜片(12)由纤维复合材料制造并且作为单独的部件与所述传感器壳体(14)连接，其中，所述传感器壳体(14)包括至少一个用于所述膜片(12)的支承面(18)，在所述支承面中构造有至少一个定向元件(28)，所述定向元件通过所述支承面(18)内的至少一个凹部(28)形成。
2.根据权利要求1所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述声学传感器(10)构造为罐式转换器。
3.根据权利要求1或2所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述传感器壳体(14)由金属、塑料或陶瓷制造。
4.根据权利要求3所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述凹部(28)在中心设置在所述支承面(18)内。
5.根据权利要求1或2所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述纤维复合材料包括由具有嵌入的碳纤维的基质材料形成的碳纤维增强材料。
6.根据权利要求5所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述碳纤维无序地、多向地、双向地或单向地布置。
7.根据权利要求5所述的声学传感器(10)，其特征在于，所述基质材料包括选自以下的至少一种塑料：聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚砜(PSu)、聚丙烯腈、全氟化聚合物或部分氟化聚合物或氟乙烯与四氟乙烯或三氟乙烯的共聚物、环氧树脂(EP)、酚醛树脂、聚酯树脂或乙烯基酯树脂。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的声学传感器(10)在驾驶辅助系统中的应用，其用于环境检测。
9.一种用于制造根据权利要求1-7中任一项所述的声学传感器(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供(100)由纤维复合材料制成的膜片(12)，所述膜片能够与所述转换器元件(16)连接，
b)提供传感器壳体(14)，
c)将所述膜片(12)与所述传感器壳体(14)连接。
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