CN105324187A - 超声换能器组件和具有超声换能器组件的机动车 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种超声换能器组件(18)，具有至少一个换能元件(23)、一个膜片(22)和至少一个谐振体(20)，其中，所述超声换能器组件(18)设置用于发送和/或接收超声信号，所述谐振体(20)在端侧(24)上与所述膜片(22)耦合，并且，所述至少一个换能元件(23)这样耦合到所述谐振体(20)的壳面(26)上，使得该换能元件与该谐振体具有一个共同的边界面。还提出一种制造方法和一种具有该超声换能器组件(18)的机动车，其中，该超声换能器组件(18)的膜片(22)通过保险杠的、侧视镜的或门区段的外皮形成并且所述换能元件和谐振体(20)以被遮盖在所述外皮之后的方式布置。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声换能器组件，其设置用于发送和/或接收超声信号并且其具有至少一个换能元件和至少一个谐振体。本发明还涉及一种用于制造这种超声换能器组件的方法和一种具有这种超声换能器组件的机动车。
背景技术
与机动车、运动的或静止的机器例如机器人、农业机器或建筑机器相关联地使用换能器组件，用于基于超声波来感测环境。为了获得高的发送强度和/或接收敏感度，在此主要涉及谐振振动器，其由固态谐振体和一个或多个换能元件组成。
由US2010/0208553A1已知一种超声换能器，其被遮盖地安装在汽车保险杠中并且例如被使用于泊车辅助目的。压电元件构造为薄的陶瓷盘，该陶瓷盘平行于换能器的辐射平面布置。
发明内容
根据本发明的超声换能器组件包括至少一个换能元件、膜片和至少一个谐振体，其中，该谐振体在端侧上与所述膜片耦合，并且，所述至少一个换能元件这样耦合到谐振体的壳面上，使得它们具有一个共同的边界面。
换能元件的概念在此应宽泛地理解并且例如包括电声换能器，其根据静电效应、磁致伸缩效应、压电效应或这些效应的组合来工作。在本发明的范畴中，换能元件尤其可以是压电元件并且超声换能器组件被称为压电式超声换能器组件。
所述超声换能器组件的膜片例如通过机动车的保险杠的、侧视镜的或门区域的外皮来构成，其中，所述换能元件和所述振动体以被遮盖于所述外皮之后的方式布置。通过所述耦合，所述膜片形成所述超声换能器组件的谐振膜片。相对于已知的以被遮盖的方式装配的换能元件，根据本发明的组件构成一种替代方案，在该替代方案中产生节约可能性，其方式例如是，可使用更薄的换能元件或者可使用更少的材料用于所述换能元件。
通过在从属权利要求中列举的措施可实现在独立权利要求中说明的主题的有利的扩展方案和改进。
优选设置，所述膜片由薄的材料层构成，该薄的材料层例如由聚合物材料制成。所述膜片优选具有0.1mm到5mm之间的厚度，特别优选小于2mm或小于1mm的厚度。所述谐振体在端侧上与膜片的耦合可间接地或直接地进行，但是在每种情况下使得可实现足够程度的声耦合，即可传递合适的振动。所述耦合例如可通过压配合、楔紧配合(例如通过拧紧)或也可通过粘接完成。所述耦合也可通过谐振体用所述外皮的材料注塑包封来实现，这也可称为嵌入。间接耦合可意味着，在所述谐振体和膜片之间设置有一个另外的材料层，例如液体如凝胶或油。此外，所述另外的材料层尤其可设置用于，优化谐振体和膜片之间的声学耦合，例如用于补偿这些构件的尺寸公差或者补偿耦合副的表面粗糙度。
根据一种优选实施方式，所述谐振体具有前面质量和背面质量，它们由不同的材料制成。因此，由换能元件为了探测环境而发射出的电声辐射优选在谐振体的端侧的方向上离开换能器组件，向后的辐射被抑制。背面质量作为所谓惯性质量起作用，即，它通过它的质量惯性而使得能够将力导入前面物体中并且因而也用于相对于在其中不希望有辐射的区域的减振。根据一种实施方式设置，换能元件沿周边地耦合到前面质量的壳面上。
优选，所述前面质量由塑料或橡胶材料制成并且所述背面质量由金属例如铝、板材、钢或黄铜制成。合适材料的选择可通过在超声换能器组件的要达到的接收敏感度或发送信号强度方面的限制或预给定来确定。但是尤其也可考虑其它的环境影响例如环境温度或例如由于振动引起的机械负载，以确定合适的材料。
根据一种优选实施方式，所述谐振体具有向端面变细的形状。这种变细例如可通过一个或多个肩部形成，即包括谐振体横截面的阶梯式减小，或者也可通过谐振体横截面的持续减小形成。
所述谐振体和/或换能元件可环形地构型。可能的是，谐振体是实心体，例如柱形体，该实心体被接收在环形的换能元件中；或者，换能元件是实心体，例如柱形体，该实心体被接收在环形的或罐形的谐振体中。替代地可设置，不仅谐振体而且换能元件都环形地构造，其中，一个环可适配到另一个中，使得谐振体包围换能元件或者使得换能元件包围谐振体。环形在此尤其可表示相应物体具有贯通开口，使得存在该物体的内周面和外周面。所述内周面和外周面在此被称为壳面。不仅在内周面上的耦合而且在外周面上的耦合都可被称为在振动体壳面上的耦合。
视实施方式而定，振动体具有圆形的、三角形的、四边形的、矩形的或多边形的横截面。在此，多边形可以指例如五边形、六边形或八边形的横截面，其中，优选是规则结构，一个趋近圆形周边的多边形的等长部段。优选的横截面尤其可通过在超声换能器组件的要达到的接收敏感度方面的限制或预给定来确定，也可通过环境影响例如抗振动强度或温度稳定性来确定，其中，功率优化的目标优先。
根据一种实施方式，换能元件和谐振体通过压配合或者通过粘接相互耦合。该耦合的选择可通过预计的使用领域来确定，例如通过组件的抗振动强度的预给定来确定。
根据一种实施方式，所述超声换能器组件具有刚好一个换能元件，该换能元件沿整个周边耦合到所述壳面上。替代地可设置，该超声换能器组件具有多个换能元件，它们分别沿部分周边地耦合到壳面上。
本发明尤其可在这样的环境传感器中使用：所述环境传感器例如设置在机动车的前保险杠和/或后保险杠中，用于泊车辅助和/或避免碰撞的目的。在此，超声信号通常通过介质如空气或水从发射器向接收器传送或从发射器传送到环境中，或者感测由位于环境中的物体反射的超声信号并测量超声信号的度越时间和/或度越时间差和/或其它参量例如振幅和相位。在此典型地使用不仅可发射超声波、而且可接收超声波的超声换能器。但是也可设置，超声换能器仅用作接收器或仅用作发送器。
所述超声换能器组件尤其可安装在超声系统中，该超声系统包括一组超声传感器，其中，至少一个、优选所有超声传感器包括所述超声换能器组件的特征。所述超声系统例如可设置用于感测机动车的部分环境。例如可以给这种超声系统分别配置在正面区域中用于感测前面的机动车环境的超声传感器和/或在侧部区域中用于感测机动车的侧面区域的超声传感器和/或在尾部区域中用于感测机动车的后方环境的超声传感器。在此，典型地在保险杠中安装四至六个传感器，其中，具有大致相同视向的传感器仅安装最多四个。此外，为了尤其也感测机动车旁边的区域，在前保险杠中还这样定位传感器，使得这些传感器朝左和朝右具有它们的感测区域。替代地或附加地，也可在后保险杠中这样定位传感器，使得这些传感器感测机动车左旁边和右旁边的区域。此外，所述超声系统还具有配属给对应组的控制装置和信号处理装置。为了感测机动车的侧面区域，不仅可使用在侧部安装在前保险杠和后保险杠中的超声传感器，而且也可使用安装在侧视镜中或安装在门区段中的这种传感器。
本发明提供一种超声换能器，该超声换能器还适合用于在机动车领域中的流动介质的流量测量，尤其在进气管中和/或在排气管中和/或在废气再循环管中和/或在内燃机的涡轮增压器之后。
提出一种用于制造超声换能器组件的方法，尤其前面说明的超声换能器组件之一，所述超声换能器组件设置用于发送和/或接收超声信号，该方法包括以下步骤：
a)制造具有换能元件和谐振体的设备，其中，至少一个所述换能元件这样耦合到所述谐振体的壳面上，使得所述换能元件和所述谐振体具有一个共同的边界面，
b)将该设备固定到膜片上，该膜片通过一构件的外皮形成，其中，所述谐振体在端侧上与该膜片耦合。
根据本发明的另一方面，机动车具有保险杠、侧视镜或门区段和之前说明的超声换能器组件，其中，该超声换能器组件的膜片通过保险杠的、侧视镜的或门区段的外皮形成，并且，所述换能元件和所述谐振体以被遮盖在所述外皮之后的方式布置。
只要保险杠的、侧视镜的或门区段的在其中安装超声换能器组件的外皮的厚度不相当于上面提到的对于声传播优选的厚度，就可设置，机动车的保险杠、侧视镜或门区段在要安装超声换能器的区域中相应地构造得比在其它位置薄。这种局部减薄可通过事后的机械加工来补上，例如通过铣削，或者也可以在制造过程中，例如在压铸时就，即已完成。
附图说明
在附图中示出并在后面的说明中详细解释本发明的实施例。附图示出：
图1A-1B根据现有技术的超声换能器；
图2A-2C根据现有技术的超声换能器；
图3A-3B根据本发明的超声换能器组件；
图4A-4D根据本发明的超声换能器组件根据不同实施方式的横剖面；
图5A-5D根据本发明的超声换能器组件根据其它实施方式的横剖面。
具体实施方式
图1A示出具有换能元件4的超声换能器2，该换能元件构造为扁平的盘并且该换能元件以它的主面5邻接厚的谐振体6。图1B示出另一超声换能器2，在该超声换能器中，扁平的换能元件4以通过它的主面5邻接的方式布置在厚的谐振体6和厚的背面质量8之间。在图1A和图1B中示出的超声换能器也被称为所谓厚度振动器。
图2A到图2C示出也被称为弯曲振动器的超声换能器2。该超声换能器2的辐射方向在图2A中以箭头表示，在图2B和图2C中示出的超声换能器2的辐射方向也相应地以箭头表示。图2A的超声换能器2包括扁平的换能元件4，该换能元件以它的主面5邻接扁平的谐振体10。在图2B中示出通过两个相互邻接的换能元件12、14实现的超声换能器2，其中，它们反向地接触。例如在施加电信号的情况下第一换能元件12收缩，而第二换能元件14膨胀，由此产生空间上的振动振幅。弯曲振动器的另一实施方式是在图2C中示出的超声换能器2，在该超声换能器中，两个换能元件12、14接触并且相互平行地布置，其中，一个扁平的谐振体10被布置在换能元件12、14之间，以增强声学振动。
图3A以侧向剖视图示出根据本发明第一实施方式的超声换能器组件18。该超声换能器组件18包括换能元件23、膜片22和谐振体20。谐振体20以端面24与膜片22耦合，即，在示出的该实施方式中，端面24形成与膜片22的接触面。振动体20和膜片22之间的耦合可直接地或间接地进行，其中，间接接触表示，在谐振体20的端面24与膜片22之间布置有至少一个另外材料的层，例如液体层，如油或凝胶，以改善声学耦合。在谐振体20的端面24与膜片22之间可存在机械耦合，例如通过将谐振体20旋拧或楔紧到膜片22中，其中，合适用于该目的的器件未在图3A中示出。同样可设置，将谐振体20粘结到膜片22上。可设置，膜片22在接触区域32中构造得比接触区域32之外更薄，使得谐振体20在接触区域32中至少部分地沉入到膜片中。这具有以下优点，一方面，超声换能器组件18可设置得足够敏感以接收超声波或者说可发送足够强的超声波，另一方面，可将膜片22在接触区域32之外构造得足够厚。
换能元件23这样布置在所述谐振体的壳面26上，使得它们彼此具有共同的边界面。壳面26在示出的该实施例中大致垂直于端面24延伸。谐振体20在换能元件23的高度上的横截面的直径30比接触区域32大，该接触区域32相应于谐振体20的端面24的横截面的直径。因此，谐振体20具有向端面32变细的形状。在图3A中示出的实施例中，该变细通过肩部28形成，即，该变细包括谐振体20的横截面的阶梯式减小。
在示出的该实施例中，谐振体20包括可由不同材料组成的前面质量36和背面质量38。也可以存在多于两种的材料层，其中，它们可以部分地或完全地被换能元件23包围。在示出的该实施例中，前面质量36可完全被换能元件23包围而背面质量38仅部分被所述换能元件包围。
图3B示出根据本发明的另一实施方式的超声换能器组件18。该超声换能器组件18又包括谐振体20，该谐振体在端面24上接触膜片22。与谐振体20的端面24的横截面的直径重合的接触区域32比谐振体20的在换能元件23与谐振体20在壳面26上沿周边接触的高度上的横截面的直径30小。在示出的该实施例，所述变细通过横截面的持续减小来产生，在示出的该实施例中通过谐振体20的锥形区段34来产生。
谐振体20在换能元件23的高度上环形地构造。在中心有一径向对称的缺口35，该缺口35具有直径37。壳面26不仅被标记为内周面39，该内周面是所述缺口的周面，而且也被标记为所述谐振体的外周面33。缺口35的直径37在示出的该实施例中选择得比构成接触区域32的端侧24的横截面的直径小，但是可以同样好地大于该端侧24的横截面的直径。所述缺口具有高度41，该高度在这里示例性地相应于换能元件23的大小。
图4A示出图3A中的超声换能器组件18沿着线z-z的可能的横截面。在示出的该实施例中，谐振体20具有矩形的横截面，该横截面具有可配属给该横截面的横截面深度44和横截面宽度46。在这里，换能元件23包括第一换能元件50和第二换能元件52，它们与谐振体20在两个对置的周面区段42上在部分周边上接触。即，矩形横截面的谐振体20具有两个未被遮盖的周面区段40和两个被遮盖的周面区段42。
图4B示出图3A的超声换能器组件18的一种替代实施方式。在该实施例中，换能元件23一体式地构造并且在整个周边上包围构造有具有矩形横截面的谐振体20。因此，该谐振体20仅具有被遮盖的周面区段42。
图4C示出在图3A中示出的超声换能器组件18的另一实施方式，在该实施方式中，谐振体20具有六角形的横截面。示出了两个换能元件23，它们遮盖两个周面区段42，所述两个周面区段相互对置地布置。替代地也可设置三个换能元件23。
图4D示出图3A中的超声换能器组件18的另一实施方式，其中，示出谐振体20的六角形横截面，带有在整个周边上耦合的换能元件23。
其它实施方式也可能的，其中，谐振体20可具有多角形的横截面并且可设置一个或多个换能元件23。它们分别耦合到谐振体的壳面26上的部分周边上或者耦合到谐振体的壳面26上的整个周边上。
图5A示出超声换能器组件18的在图3B中示出实施例的沿着线y-y的横剖面视图。在该实施例中，谐振体20具有环形的横截面，该环形横截面具有布置在中心的缺口35。换能元件23沿整个周边布置在谐振体20的外周面33上并且因此环形地构造。
图5B示出在图3A中示出的超声换能器组件18的另一实施方式。该谐振体20具有圆形的横截面，没有缺口，即柱形地构造。此外示出换能元件23，其具有第一换能元件50和第二换能元件52，它们沿着壳面26在整个周边上包围谐振体20。
图5C示出超声换能器组件18的另一实施方式。根据该实施方式，谐振体20环形地构造，如同例如参考图3B说明的那样，并且换能元件23环形地构造，如同例如参考图5A或图5B说明的那样。在该情况中，换能元件23布置在谐振体20的缺口35中并且在该谐振体的内周面39上与该谐振体20接触，该内周面是缺口35的周面。可能的是，换能元件23不是如示出的这样环形地构造，而是形成柱形的实心体。
图5D示出另一可能的实施方式，具有谐振体20，该谐振体20在换能元件23的高度上具有环形的直径，其中，换能元件23布置在缺口35'中并且耦合在谐振体20上的部分周边上，更准确地说耦合到谐振体20的壳面26的内周面39上。换能元件23包括第一换能元件50和第二换能元件52，它们通过净宽54相互隔开间距。当然，多于两个的以这种方式布置的换能元件23也是可能的。
本发明不局限于在这里说明的实施例和其中的突出方面。而是在通过权利要求给出的范围内，可在专业人员可实施的范畴内实现多种变化。
Claims (10)
1.超声换能器组件(18)，具有至少一个换能元件(23)、一个膜片(22)并具有至少一个谐振体(20)，其中，所述超声换能器组件(18)设置用于发送和/或接收超声信号，其中，所述谐振体(20)在端侧(24)上与所述膜片(22)耦合，并且，所述至少一个换能元件(23)这样耦合到所述谐振体(20)的壳面(26)上，使得所述换能元件与所述谐振体具有一个共同的边界面。
2.如权利要求1所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述膜片(22)具有0.1mm到5mm之间的厚度。
3.如前述权利要求之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述谐振体(20)具有前面质量(36)和背面质量(38)，所述前面质量和背面质量由不同的材料制成。
4.如前述权利要求之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述谐振体(20)具有朝向所述端面(24)变细的形状。
5.如前述权利要求之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述谐振体(20)和/或所述换能元件(23)环形地构型。
6.如前述权利要求之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述换能元件(23)和所述谐振体(20)通过压配合或通过粘接相互耦合。
7.如前述权利要求之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述超声换能器组件(18)具有刚好一个换能元件(23)，所述换能元件(23)沿整个周边地耦合到所述壳面(26)上。
8.如权利要求1到6之一所述的超声换能器组件(18)，其特征在于，所述超声换能器组件(18)具有多个换能元件(50，52)，这些换能元件分别沿部分周边地耦合到所述壳面(26)上。
9.用于制造超声换能器组件(18)的方法，尤其如权利要求1到8之一所述的超声换能器组件，所述超声换能器组件设置用于发送和/或接收超声信号，该方法具有以下步骤：
a)制造具有换能元件(23)和谐振体(20)的设备，其中，至少一个所述换能元件(23)这样耦合到所述谐振体(20)的壳面(26)上，使得所述换能元件和所述谐振体具有一个共同的边界面，
b)将该设备固定到膜片(22)上，该膜片通过一构件的外皮形成，其中，所述谐振体(20)在端侧(24)上与该膜片(22)耦合。
10.机动车，具有保险杠、侧视镜或门区段和如权利要求1到8之一所述的超声换能器组件，其中，所述超声换能器组件(18)的所述膜片(22)通过保险杠的、侧视镜的或门区段的外皮形成，并且，所述换能元件(23)和所述谐振体(20)以被遮盖在所述外皮之后的方式布置。
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