CN105492924B - 传感器装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明提出传感器装置，其包括电声换能器(1)，所述电声换能器(1)构造为厚度振动器并且因此具有前体(10)、至少一个片形压电元件(20)以及后体(30)，所述前体具有底面(16)和端面(14)，所述至少一个压电元件具有第一表面(24)和第二表面(26)，所述后体具有第一端面(36)和第二端面(38)，其中，所述前体(10)的端面(14)耦合到膜片(40)上，所述膜片适合于发射和接收声波。所述前体(10)的底面(16)与所述压电元件(20)的第一表面(24)材料锁合地和/或力锁合地连接并且所述后体(30)的第二端面(36)与所述压电元件(20)的第二表面(26)材料锁合地和/或力锁合地连接。根据本发明提出，所述后体(30)的第一端面(36)与第二端面(38)之间的距离(Ir)加上所述压电元件(20)的厚度(d)的一半相应于所述传感器装置沿厚度方向(D)的谐振的波长(λr)的一半。
Description
技术领域
本分明从根据权利要求1的前序部分的、具有电声换能器的装置出发，其包括前体、压电元件和后体，所述电声换能器与膜片耦合。
背景技术
为了能够从外面不可见地和受保护地以防环境影响地在车辆上安装超声传感器(尤其在机动车的周围环境检测系统中的应用时)，已知，设置超声换能器，其受遮盖地、即从外面不可见地、布置在装饰件(Verkleidungselement)的或车身元件的内面，例如在保险杠的内面。
由US 2010/0020646 A1例如已知一种超声传感器，其以厚度振动器形式构造并且其适合于受掩盖地安装。从具有电极的压电陶瓷出发设置至少一个前体，所述至少一个前体具有形状，从而产生所希望的发射特性。传输路径长度在谐振频率fR时相应于λ/4，从而从所述压电陶瓷出发在所述发射表面达到振动的增强。还示出，对于一些应用优选使用λ/2振动器，该振动器尤其关于温度稳定性、污染易受侵蚀性和存放更稳健。根据US 2010/0020646 A1的λ/2振动器具有前体和后体，其中，所述前体和后体的各自的长度加上所述压电陶瓷片的厚度的一半相应于在各自材料中的声的波长λ的四分之一。US 2010/0208553A1描述相似的结构。
在这样的方案——所述方案设置声换能器，该声传感器可以不可见地装配在装饰件(比如车辆的保险杠)后面——中，在激励该声换能器的情况下使所述装饰件的一区域进行振动。该区域再发送声并且因而充当膜片。根据同样的作用原理，入射声可以激励所述膜片进行振动并且促使声换能器产生对应的电信号。这种例如在US 2010/0208553 A1中描述的传感器装置在图1中示意性地示出。这种结构具有以下缺点，即后体30的自由端部自由地振动并且由此可能发送所不希望的声。此外，在该声换能器支承在后体上的情况下、特别在水平安装的情况下，机械碰撞可能尤其通过拉应力导致粘接的高负荷。由US 2010/0208553A1得知，为了避免这些问题，能够实现在所述压电陶瓷之上的区域中的支承。支承所述后体是不利的，因为因此可能妨碍后体的λ/4振动。
在说明所述波长时应注意，振动的波长λ通常作为传播速度cS(声速)与振动频率f的商得出：
λ＝cS/f。
因为频率f在这种传感器装置中是预给定的(通过压电元件的激励或通过所述入射声波的频率)并且传播速度cS通常是材料相关的，所以对于所述厚度振动器的前部区域(前体、膜片)可能不同于对于后部区域(后体)地得出另一波长λv，在所述后部区域那调节波长λr。
发明内容
本发明所基于的思想在于，如此修改电声换能器的由现有技术已知的结构，使得能实现在构造为厚度振动器的电声换能器的后体上的机械稳定的保持和支承，而产生所述换能器的振动行为的损害。通过根据本发明的结构还省去费事的支承方案。
根据本发明设置一种传感器装置，其包括电声换能器，所述电声换能器构造为厚度振动器并且因此具有前体、至少一个片形压电元件以及后体，所述前体具有底面和端面，所述至少一个压电元件具有第一表面和第二表面，所述后体具有第一端面和第二端面，其中，所述前体的端面耦合到膜片上，所述膜片适合于发射和接收声波。所述前体的底面与所述压电元件的第一表面材料锁合地和/或力锁合地和/或形状锁合地连接并且所述后体的第二端面与所述压电元件的第二表面材料锁合地和/或力锁合地和/或形状锁合地连接。材料锁合的连接可以理解为例如通过粘接的连接。力锁合的连接可以理解为例如通过旋紧或夹紧的连接。形状锁合的连接可以理解为例如通过镶嵌的连接。所述表面的连接的可能性可以任意组合并且匹配于根据本发明的传感器装置的应用的要求。
所述前体的端面、所述前体的底面、所述压电元件的第一表面和所述第二表面以及所述后体的第一端面和所述第二端面分别互相平行布置并且可以具有尤其相同的形状和大小。所提到的表面可以例如圆形地、椭圆形地、矩形地或方形地成型。这相应于构造为厚度振动器的电声换能器的已知结构，如其在例如US 2010/0020646 A1中描述的那样。通过所述各个面的形状和大小和其互相之间的关系可以以有利的方式匹配传感器装置的发射特性。
术语本发明意义上的电声换能器应广泛地理解并且包括换能器装置，所述换能器装置根据静电效应、磁致伸缩效应、压电效应或这些效应的组合来工作。在本发明的范围内尤其可以设置压电元件作为换能器元件，其中，优选地转换超声范围内的声波。借此尤其可以在用于周围环境检测的超声传感器中，例如在机动车中或在机器人技术中应用根据本发明的电声换能器。
所述膜片——根据本发明的电声换能器的前体的端面耦合到所述膜片上——例如通过机动车的保险杠的、侧视镜的或门区域的外皮构造，从而所述电声换能器隐藏地布置在所述外皮后面。通过所述耦合理想地激励膜片进行谐振。
优选地设置，所述膜片由薄材料层构造，其例如由高分子材料制造。优选地，所述膜片具有0.1mm到5mm之间的厚度，特别优选地，具有小于3mm或小于2mm的厚度。可以间接地或直接地实现所述前体在其端侧处与所述膜片的耦合，但在任何情况下如此，使得能够实现足够程度的声学耦合，也即，可以传输合适的振动。所述耦合可以例如通过压配合、夹配合、例如通过旋入、或也通过粘接实现。所述耦合也可以通过以膜片材料注塑包封所述前体来实现，这也可以称为嵌入。间接耦合可以表示，在所述谐振体和所述膜片之间设置另一材料层，例如流体，如胶或油。另一材料层尤其可以设置用于优化前体和膜片之间的声学耦合，例如以便平衡部件的尺寸方面的公差或者耦合伙伴的表面粗糙度。
根据一种优选的实施方式，所述前体和所述后体由不同材料制造。因此，优选朝前体的端侧方向发射由压电元件产生的声波，抑制向后的射束。为此，所述后体作为所谓的惯性质量是有效的，也即其通过其质量惯性能够实现将力引入到前体中并且也用于对着以下区域衰减振动：在所述区域中不希望声波发射。
优选地，所述前体由塑料材料或橡胶材料制造并且所述后体由金属、例如由铝、板材、钢或黄铜制造。合适材料的选择可以通过关于根据本发明的电声换能器的待实现的接收敏感度的、发送信号强度的或工作频率的限制或预给定来确定。但尤其也可以考虑其他周围环境影响，例如周围环境温度或例如通过晃动引起的机械应力，以便确定合适的材料。
如已经提到的，根据本发明的传感器装置的后部区域的振动的波长λr可以与所述传感器装置的前部区域的波长λv区分。所述前部区域理解为所述传感器装置的以下区段：该区段包括前体、膜片以及所述压电元件的与所述前体邻接的前一半。后部区域理解为所述传感器的以下区段：该区段包括后体以及压电元件的与所述后体邻接的后一半。在此基本上通过所述后体的材料确定所述波长λr。基本上通过前体的材料确定所述波长λv。通过声速的材料相关性，在确定的频率下出现不同的波长。
根据本发明设置，后体的第一端面与所述第二端面之间的距离加上所述压电元件的厚度的一半相应于所述传感器装置沿厚度方向的谐振的波长λr(参照所述传感器装置的后部区域)的一半。
所述厚度方向应理解为所述电声换能器的纵向延伸的方向，该方向基本上垂直于所述膜片的平面地延伸。所述压电元件的通过压电效应引起的厚度变化诱导了由前体、后体和压电元件组成的联合体(Verbund)沿所述厚度方向的振动。通过后体的根据本发明的构造，调节沿厚度方向的、以驻波形式的振动，其在所述后体的第一端面的区域中具有振动节。由此，在理想情况下在所述后体的第一端面的区域中的下边缘不振动并且可以因此例如与壳体粘接或者在其他方面被支承。由此，在水平安装和垂直于所述振动方向的碰撞过程中出现较小的机械应力。
优选地，所述传感器装置如此构造，使得所述前体的底面与端面之间的距离(即所述前体的长度)、和所述压电元件的厚度的一半和所述膜片的厚度的和相应于所述传感器装置沿厚度方向的所激励的振动的波长λv(参照所述传感器装置的前区段)的四分之一。
优选地，所述传感器装置具有尤其罐形地构造的壳体，其包围所述电声换能器并且保护电声换能器以防周围环境影响。所述后体的第一端面在此优选地与所述壳体材料锁合地和/或力锁合地，例如通过粘接和/或旋紧连接。所述壳体优选如此构造和连接，使得其沿厚度方向不进行振动。基于后体的根据本发明的构造，在所述压电元件的区域中不需要费事的支承。
所述后体优选棒状地、具有圆形的或椭圆形的或矩形的横截面地构造。同样可能的是，设置具有在其长度上变化的横截面的后体。优选地，所述后体的第二端面如此构造，使得其形状和大小相应于所述压电元件的第二表面。
所述前体同样可以具有在其长度上变化的横截面。所述前体的端面可以圆形得或椭圆形地或矩形地构造。通过所述前体的端面的形状、定向和大小，尤其可以匹配所述传感器装置的发射特性。所述前体可以分级地构造在与所述膜片的连接区域中。通过这种方式，可以改变振动到膜片中的耦合输入。
在一种优选的实施方式中，所述前体包括第一板，其具有所述底面并且耦合到所述压电元件上。所述前体还包括第二板，其具有所述端面并且耦合到所述膜片上。此外，所述前体还包括棒状区段，其将所述第一板与所述第二板互相连接，其中，所述棒状区段的横截面比所述底面小并且也比所述端面小。通过所述前体的构造以简单的方式取得所希望的发射特性。
优选地，所述膜片构造为用于机动车的装饰件的(例如车身部分的)外皮，其中，所述电声换能器的前体的端面如此耦合到所述装饰件的内面，使得所述电声换能器从外面不可见。所述电声换能器的声学信号可以通过所述外皮发送和接收。在将根据本发明的传感器装置用作用于车辆的超声传感器或用在用于车辆的超声传感器中的情况下，这具有特别的优点，即所述传感器装置从所述车辆的外面不可见。由此保护所述电声换能器免受周围环境影响和损坏并且能够实现在以下车辆位置处的安装：在所述车辆位置处出于美观的原因不考虑可见的超声传感器的安装。
附图说明
图1示出根据现有技术的传感器装置；
图2示出根据本发明的第一实施例的传感器装置；
图3示出根据本发明的第二实施例的传感器装置连同在所述组件长度上的偏转的示图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出根据现有技术的传感器装置的剖面。所述传感器装置包括构造为厚度振动器的电声换能器1，其声学耦合到膜片40上。所述电声换能器1包括棒状的前体10、片形的压电元件20和棒状的后体30。所述前体30的端面在此通过粘接固定在所述膜片40的内面44上。膜片40是装饰件4的一部分，例如机动车保险杠的一部分。前体10、压电元件20和后体30同样优选地通过粘接互相连接。
借助电极(未示出)可以施加电压信号到压电元件20上，由此激励所述电声换能器1沿厚度方向D进行振动。在所述常规装置中，从膜片40的表面42到压电元件20的中心(沿厚度方向考虑)的距离Iv以及从压电元件20的中心(沿厚度方向考虑)到后体30的下端面38的距离Ir如此选择，使得在以谐振频率激励电声换能器20时，在所述前体的区域中形成具有波长λv的驻波并且在所述后体的区域中形成具有波长λr的驻波，并且所述距离Iv和Ir分别对应于参照传感器装置1的前部区域或后部区域的波长λv或λr的四分之一。
在图1a)中示出处于静止状态的传感器装置。在图1b)中以虚线重叠地示意性地示出相应组件(不按比例地)在所激励的振动中的偏转。通过后体30的端面38位于所述驻波的振动波腹处的方式，在后体30的端面38的区域中偏转特别大。由此得到所述粘接的通过碰撞引起的高机械负荷的缺点，以及在不妨碍所述振动的情况下不能够在端面38的区域中支承后体30自身。
在图2中示意性地示出根据本发明的传感器装置的剖面，其克服了现有技术的缺点。类似于已知实施地，所述传感器装置包括构造为厚度振动器的电声换能器1，其声学耦合到膜片40上。电声换能器1包括棒状的具有例如圆形或矩形的横截面的前体10、在所述例中片形的具有厚度d的压电元件20以及棒状的后体30。替代地，压电元件20可以构造为方形。前体30的端面在此通过粘接固定在膜片40的内面44上。膜片40是装饰件4的一部分，例如机动车的保险杠的一部分。
前体10具有底面16和端面14。压电元件20构造为薄陶瓷片并且平行于换能器1的发射平面地布置。压电元件20具有第一表面24和与第一表面24对置的第二表面26。电声换能器1还包括具有第一端面38和第二端面36的后体30。前体10的底面16与压电元件20的第一表面24材料锁合地和/或力锁合地连接，例如通过粘接或旋紧。后体30的第二端面36与压电元件20的第二表面26材料锁合地和/或力锁合地连接。所述前体具有长度(沿方向D)I1，其相应于端面14到底面16的距离。所述后体具有长度I2，其相应于第一端面38到第二端面36的距离。
前体10和后体30用于传输和增强由压电元件20产生或接收的声学波。为此，压电元件20具有电极和电接触部(未示出)，通过其施加电压信号到压电元件20上或者可以接收由压电元件20产生的电压信号或电荷转移(Ladungsverschiebung)。所述压电元件可以例如具有压电陶瓷。箭头D表示根据本发明的电声换能器1的主振动方向(厚度振动)。
前体10的端面14耦合到厚度dM的膜片40的内面44上，所述膜片适合于发射或接收声波。如果电声换能器1作为超声传感器用在机动车中，则膜片40例如可以涉及装饰件4的——例如保险杠的——外皮或外皮的区域。然后电声换能器1布置在装饰件4的内侧上并且从外面不可见。因此保护电声换能器1免于污物和天气影响。
此外，电声换能器1还包括壳体50，其在此仅仅示意性地示出。壳体50用作由前体10、压电元件20和后体30组成的联合体的紧固装置(Einspannung)。壳体50在所述例中与后体30在第一端面38处连接，例如通过粘接。壳体50在所述例中罐形地构造并且具有凸缘55。在凸缘55处壳体50可以固定在装饰件4的内侧，例如通过粘接或旋紧。壳体50在此如此设计，使得其不振动。
根据本发明设置，后体30具有长度I，所述后体如此选择，使得后体30的长度I2与压电元件20的厚度d的一半的和Ir相应于所述传感器装置沿厚度方向D的谐振的波长λr的一半。从膜片40的表面42到压电元件20的厚度d的一半测量的距离Iv以已知的方式相应于所述传感器装置沿厚度方向D的谐振的波长λv的四分之一。
因而以下等式适用：
Ir＝I2+d/2＝λr/2
Iv＝I1+dM+d/2＝λv/4
换言之，在考虑必要时不同的材料，前体10的、压电元件20的和后体30的长度关系如此选择，使得在以谐振频率压电激励或声学激励电声换能器的情况下形成驻波，所述驻波在压电元件20的区域中和在后体的第一端面38的区域中具有波节，即一区域，所述区域理想地没有获得偏转或者仅仅获得微小偏转。因此能够实现：后体在第一端面38的区域中支承在壳体50上，而不妨碍所述振动并且借此不妨碍所述传感器装置的接收敏感度或信号强度。所述距离或长度I1、I2、Ir、Iv、d、dM分别可以在所述传感器装置的静止状态中观察。
在图3中再一次清楚地示出所述情况，其方式是，示出沿根据本发明的传感器装置的纵向方向x的偏转U(x)。
在本发明的在图2中示出的实施中，所述前体具有在其长度上变化的横截面。前体10在此具有第一板11，第一板具有底面16。第一板11或者底面16在其大小和形状方面基本上相应于压电元件的第一表面24。前体10还包括第二板13，第二板具有端面14。第二板13或者端面14在所述例中具有相比于第一板11更大的横截面。前体10此外包括棒状区段12，所述棒状区段连接第一板11和第二板13，其中，所述棒状区段12的横截面相比于底面16更小并且也相比于端面14更小。如此构型的前体可以是一件式或多件式地构造。在多件式的构造中，第一板11、第二板13和棒状区段12可以构造为分离组件，它们例如通过粘接或旋紧而连接成前体10。此外还可考虑，将前体10与膜片40一件式地构造。
根据本发明的传感器装置的在图3中示出的实施与在图2中示出的装置的区别是前体10的构造。在根据图3的示例中，前体仅仅具有棒状区段12和具有增大的横截面的板13，其中，板13具有端面14并且与膜片40耦合。因此得到前体10的大约呈T形的外形。
Claims (9)
1.一种传感器装置，其包括电声换能器(1)，所述电声换能器(1)具有前体(10)，至少一个压电元件(20)以及后体(30)，所述前体具有底面(16)和端面(14)，所述至少一个压电元件具有第一表面(24)和第二表面(26)，所述后体具有第一端面(38)和第二端面(36)，其中，所述前体(10)的端面(14)耦合到膜片(40)上，所述膜片适合于发射和/或接收声波，
其中，所述前体(10)的底面(16)与所述压电元件(20)的第一表面(24)材料锁合地和/或力锁合地和/或形状锁合地连接并且所述后体(30)的第二端面(36)与所述压电元件(20)的第二表面(26)材料锁合地和/或力锁合地和/或形状锁合地连接，
其特征在于，
由所述后体(30)的第一端面(38)与第二端面(36)之间的距离(I2)和所述压电元件(20)的厚度(d)的一半组成的和(Ir)相应于所述传感器装置沿厚度方向(D)的谐振的波长(λr)的一半。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，由所述前体(10)的底面(16)与端面(14)之间的距离和所述压电元件(20)的厚度(d)的一半和所述膜片(40)的厚度(dM)组成的和(Iv)相应于所述传感器装置沿厚度方向(D)的所激励的振动的波长(λv)的四分之一。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括尤其罐形地构造的壳体(50)，其包围所述电声换能器(1)，其中，所述后体(30)的第一端面(38)与所述壳体(50)材料锁合地和/或力锁合地连接。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述后体(30)棒状地、具有圆形的或椭圆形的或矩形的横截面地构造。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述前体(10)具有在其长度上变化的横截面。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述前体(10)的端面(14)圆形或椭圆形或矩形地构造。
7.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，所述前体(10)包括具有所述底面(16)的第一板(11)和包括具有所述端面(14)的第二板(13)，以及具有连接所述第一板(11)与所述第二板(13)的棒状区段(12)，其中，所述棒状区段(12)的横截面比所述底面(16)小并且比所述端面(14)小。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述膜片(40)构造为用于机动车的装饰件(4)的外皮，其中，所述电声换能器(1)的前体(10)的端面(14)耦合到所述装饰件(4)的内面(44)上，从而所述电声换能器(1)从外面不可见，其中，所述电声换能器(1)的声学信号能够通过所述外皮发送和接收。
9.一种用于车辆的周围环境检测的超声传感器，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的传感器装置。
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