CN107690589A - 超声换能器 - Google Patents

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Abstract

一种超声换能器，所述超声换能器具有：压电换能器元件，其具有上侧和下侧；以及杯形的具有上侧和下侧的壳体，其中，在所述上侧处构造有开口；以及耦合元件，所述耦合元件具有前侧和背侧，其中，所述耦合元件的背侧与所述换能器元件的上侧声学耦合，以便在发送模式中将借助所述换能器元件产生的超声波耦合输出给环境或者以便在接收模式中将从所述耦合元件的环境接收的超声波转发给所述换能器元件，其中，所述换能器元件和所述耦合元件布置在所述壳体中；以及第一电极和第二电极，其中，所述第一电极与构造在所述换能器元件的下侧处的接触面连接，其中，所述换能器元件布置在由金属导电材料制成的杯式屏蔽装置中并且所述屏蔽装置的开口以金属导电栅格覆盖，从而所述屏蔽装置和所述栅格构成法拉第笼，并且，所述栅格构造在所述换能器元件的上侧与所述耦合元件的背侧之间；在所述壳体与所述屏蔽装置之间构造有缝隙；所述壳体与所述屏蔽装置声学脱耦。

Description

超声换能器
技术领域
本发明涉及一种超声换能器。
背景技术
由文献DE 10 2008 055 116 A1已知一种具有壳体和换能器元件和耦合元件的超声换能器。此外，由文献DE 10 2007 062 460 A1已知一种超声传感器。
发明内容
在该背景下，本发明的任务在于，说明一种改进现有技术的装置。
该任务通过具有权利要求1的特征的超声换能器来解决。本发明的有利的构型是从属权利要求的主题。
根据本发明/所述方法的主题提供一种超声换能器，所述超声换能器：具有压电换能器元件，所述压电换能器元件具有上侧和下侧；此外具有杯形的、具有上侧和几乎封闭的下侧的壳体，或者具有圆筒形的具有基本上敞开的下侧的壳体，其中，在所述上侧处构造有开口；以及具有耦合元件，所述耦合元件具有前侧和背侧，其中，所述耦合元件的背侧与所述换能器元件的上侧声学耦合，以便在发送模式中将借助所述换能器元件产生的超声波耦合输出给环境或者以便在接收模式中将从所述耦合元件的环境接收的超声波转发给所述换能器元件。
此外，所述换能器元件和所述耦合元件布置在所述壳体中，并且所述超声换能器具有第一电极和第二电极，其中，所述第一电极与构造在所述换能器元件的下侧处的接触面连接，其中，所述换能器元件布置在由金属导电材料制成的杯式屏蔽装置中并且所述屏蔽装置的开口以金属导电栅格覆盖，从而所述屏蔽装置和所述栅格构成法拉第笼并且，所述栅格构造在所述换能器元件的上侧与所述耦合元件的背侧之间，在所述壳体与所述屏蔽装置之间构造有缝隙，所述壳体从所述屏蔽装置声学脱耦。
应注意，换能器元件完全布置在法拉第笼中并且换能器元件尽管栅格仍与耦合元件强烈地声学耦合，以便实现超声换能器的高效率。显然，耦合元件将在发送模式中产生的超声波耦合输出给环境例如空气并且在接收模式中将所捕获的超声波转发给换能器元件。在发送模式中，给换能器元件施加直至数个MHz的交流电压，而在接收模式中换能器元件产生交流电压。此外，显然，法拉第笼与参考电位、尤其与接地电位电连接。
也应注意，壳体由塑料和/或金属制成并且也可以圆筒状地构造。其他形状、尤其矩形也是可能的。应提出，在壳体的下侧处在此以名称“几乎封闭”表示以下的壳体下侧：该壳体下侧除连接接触部的绝缘套管以外是封闭的。相应地，以名称“基本敞开”优选表示圆筒的开口。
对于屏蔽装置，不同的壳体形状、尤其有棱角的壳体形状也是可能的，只要屏蔽装置相对于电磁波密封。尤其当在制造中在壳体与法拉第笼之间的空间从下侧和从上侧例如在圆筒状实施方案的情况下可简单地填充，则可以简单和可靠地制造超声换能器。
目前为止的根据现有技术的解决方案已经表明，尤其在非对称信号耦合中产生与本发明相比不足的电磁兼容性稳定性(EMV-Festigkeit)。借助所述栅格可以显著提高电磁兼容性稳定性。
术语EMV在此理解为相对于“电磁波”的稳定性。研究已经表明，换能器元件相对于电场在100MHz以上的高频范围中也有效地屏蔽。尤其可以构成具有高电磁兼容稳定性的成本有利的和小型的超声换能器。另一优点在于，栅格对于声学脱耦材料是可穿透的。
在一个扩展方案中，所述屏蔽装置和所述中间栅格位置和所述壳体以声学脱耦材料填充。优选的是，所有空腔完全地并且尤其缝隙完全地以脱耦材料填充。优选地，作为脱耦材料可以使用具有至少一种填料、尤其气泡的弹性体-矩阵材料。优选地，肖氏A(Shore-A)硬度为小于25。
在另一扩展方案中，所述换能器元件相比所述屏蔽装置具有更小的直径。尤其换能器元件构造为平坦的圆筒形的压电元件，其中，上侧和/或下侧分别构造为平坦的平面。
在一种实施方式中，所述壳体的上边缘和所述耦合元件的表面和所述脱耦材料的表面构成共同的平坦的平面。优选地，各个部分在表面上流体密封地实施。
在另一扩展方案中，所述栅格借助固定机构或尤其夹紧环与所述屏蔽装置固定在一起。显然，其他导电的和高频密封(HF-dicht)的固定机构也适合。优选地，夹紧环由金属构造。显然，固定机构在另一实施方式中也包括钎焊点或焊接点。在一种实施方式中，所述屏蔽装置和/或所述栅格也分别由金属制成。优选的是，将所述栅格与所述换能器元件的上侧电连接，而尤其将所述第二电极与所述法拉第笼电连接，从而所述换能器元件的上侧和所述法拉第笼箝位(geklemmt)在相同的参考电位上。显然，为此，第二电极与笼低欧姆连接。尤其地，所述屏蔽装置在所述下侧处具有接触区域，其中，所述第二电极与所述接触区域电连接。
在一种实施方式中，第一电极和或第二电极优选在壳体的下侧处贯穿所述壳体。
在另一实施方式中，栅格的网孔区段的厚度为优选40μm、然而至少5μm到最高0.75mm。此外，优选的是，栅格的网孔宽度为优选0.4mm、然而至少0.1mm到最高3.0mm。优选的是，栅格由青铜或铜制成。
在另一扩展方案中，在屏蔽装置与壳体之间的缝隙为至少0.5mm到最高2.0cm。
在一种优选的实施方式中，所述换能器元件具有另一接触面。在此，所述第二电极与所述接触面连接，所述屏蔽装置和所述栅格与所述换能器元件电绝缘地实施。所述屏蔽装置借助第三电极箝位到参考电位上。
附图说明
以下参照附图更详细地阐述本发明。在此，相同部分以相同附图标记进行标记。所示出的实施方式是显著示意性的，也即间距和横向延伸以及垂直延伸不是按比例的，并且只要没有另外说明，相互间不具有可导出的几何关系。附图示出：
图1：超声换能器的第一实施方式的横剖视图；
图2：超声换能器的第二实施方式的横剖视图。
具体实施方式
图1的图以横剖视图示出超声换能器10的第一实施方式，所述超声换能器具有压电换能器元件20，所述压电换能器元件具有上侧22和下侧24。超声换能器10具有杯形壳体30，所述壳体具有上侧32和下侧34，其中，在壳体30的上侧32处构造有开口。壳体30优选由塑料构造。在一种未示出的替代的实施方式中，壳体30圆筒形地构造。在此，壳体在下侧处至少部分地具有与在壳体的该侧的材料不同的材料。尤其如果下侧34是敞开的，则在壳体30与法拉第笼之间的空间可简单地从上侧32和下侧34填充。
此外，超声换能器10具有耦合元件40，所述耦合元件具有前侧42和背侧44，其中，耦合元件40的背侧44与换能器元件20的上侧22声学耦合，以便在发送模式中将借助换能器元件20产生的超声波耦合输出给环境或者以便在接收模式中将从耦合元件40的环境接收的超声波转发给换能器元件20。换能器元件20和耦合元件40布置在壳体30中。
此外，超声换能器10具有第一电极50和第二电极60，其中，第一电极50与构造在换能器元件20的下侧24处的接触面70连接。换能器元件20布置在由金属导电材料制成的杯式屏蔽装置80中，其中，屏蔽装置80的开口以金属导电栅格90覆盖。在此，栅格90借助固定机构、尤其夹紧环92与屏蔽装置80固定在一起。栅格90具有多个中间栅格位置95。以术语中间栅格位置95表示在栅格90的网孔之间的光宽度。
在此，屏蔽装置80进入壳体30中耦合元件40的厚度。栅格90与换能器元件20的上侧电连接。屏蔽装置80和栅格90构成法拉第笼，其中，栅格90构造在换能器元件20的上侧22与耦合元件40的背侧44之间。
此外，第二电极60与法拉第笼、在此在杯式屏蔽装置80的下侧82处在接触区域85处连接，从而换能器元件20的上侧22与法拉第笼箝位在接地电位上。屏蔽装置80在下侧82处具有绝缘套管86。通过绝缘套管86，将第一电极50相对于屏蔽装置80电绝缘地引导穿过。壳体30在下侧34处对于这两个电极50和60具有两个绝缘套管88，也即第一电极50和第二电极60在下侧34处引导通过壳体30。
在壳体30与屏蔽装置80之间构造有缝隙SP，从而壳体30与屏蔽装置80声学脱耦。换能器元件20和耦合元件40相比屏蔽装置80具有更小的直径。两个元件20和40优选具有相同的直径。不仅屏蔽装置80而且中间栅格位置95和屏蔽装置80以声学脱耦材料100、尤其弹性体泡沫填充。
总体上，壳体30的上边缘面105和耦合元件40的前侧42以及脱耦材料100的表面构成共同的平坦的平面110。
在图2的图中以横剖视图示出超声换能器10的第二实施方式。下面，仅仅阐述与在图1的图中示出的实施方式的区别。换能器元件20具有第二接触面270。第二电极70与第二接触面270连接。此外，屏蔽装置80在下侧82处具有另一绝缘套管86。
通过另一绝缘套管86，将第二电极60相对于屏蔽装置80电绝缘地引导通过。优选包括柔性金属线的两个电极50和60终止在电路板230上。电路板230在壳体30的内侧处构造在屏蔽装置80与壳体底部200之间。电路板230包括第一接触销(Kontaktstift)240和第二接触销250，其中，这两个接触销240和250引导穿过在壳体30处的这两个绝缘套管88。壳体30具有与边缘面105连接的凸肩280。
在图1中示出的第一实施方式中第二电极60借助栅格90连接到换能器元件20上并且引起非对称的信号耦合输出，其方式是，到法拉第笼上的连接端箝位到参考电位上，而在图2的本实施方式中，第二电极60直接与在图2的图中示出的实施方式中的换能器元件20连接。通过两个电极50和60都没有箝位到接地电位上，现在可以实施对称的信号耦合输出。只要栅格90不与换能器元件20电连接，就可以将栅格90箝位到参考电位上。位于第一电极与第二电极之间的交变信号将无参考电位。

Claims (15)

1.一种超声换能器(10)，所述超声换能器具有：
压电换能器元件(20)，所述压电换能器元件具有上侧(22)和下侧(24)；以及
杯形的具有上侧(32)和几乎封闭的下侧(34)的壳体(30)或者圆筒形的具有敞开的下侧(34)的壳体(30)，其中，在所述上侧(32)处构造有开口；以及
耦合元件(40)，所述耦合元件具有前侧(42)和背侧(44)，其中，所述耦合元件(40)的背侧(44)与所述换能器元件(20)的上侧(22)声学耦合，以便在发送模式中将借助所述换能器元件(20)产生的超声波耦合输出给环境或者以便在接收模式中将从所述耦合元件(40)的环境接收的超声波转发给所述换能器元件(20)，其中，所述换能器元件(20)和所述耦合元件(40)布置在所述壳体(30)中；以及
第一电极和第二电极，其中，所述第一电极与构造在所述换能器元件(20)的下侧(24)处的接触面(70)连接，
其特征在于，
所述换能器元件(70)布置在由金属导电材料制成的杯式屏蔽装置(80)中并且所述屏蔽装置(80)的开口以金属导电栅格(90)覆盖，从而所述屏蔽装置(80)和所述栅格(90)构成法拉第笼，并且，所述栅格(90)构造在所述换能器元件(24)的上侧(22)与所述耦合元件(40)的背侧(44)之间，在所述壳体(30)与所述屏蔽装置(80)之间构造有缝隙(SP)，所述壳体(30)与所述屏蔽装置(80)声学脱耦。
2.根据权利要求1所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述屏蔽装置和所述中间栅格位置和所述壳体以声学脱耦材料填充。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述换能器元件相比所述屏蔽装置具有更小的直径。
4.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述壳体的上边缘和所述耦合元件的表面和所述脱耦材料的表面构成共同的平坦的平面。
5.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格借助固定机构或夹紧环与所述屏蔽装置固定在一起。
6.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述屏蔽装置和/或所述栅格分别由金属制成。
7.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格与所述换能器元件的上侧电连接，而所述第二电极与所述法拉第笼连接，从而所述换能器元件的上侧和所述法拉第笼箝位在相同的参考电位上。
8.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极贯穿所述壳体。
9.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述屏蔽装置(80)在所述下侧处具有接触区域(85)，而所述第二电极(60)与所述接触区域(85)电连接。
10.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格(90)的网孔区段的厚度为至少5μm到最高0.75mm。
11.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格(90)的网孔宽度为至少0.1mm到最高3.0mm。
12.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，在所述屏蔽装置(80)与所述壳体(30)之间的缝隙(SP)为至少0.5mm。
13.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格(90)的网孔宽度为至少0.1mm到最高3.0mm。
14.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述栅格(90)由青铜或铜制成。
15.根据以上权利要求中任一项所述的超声换能器(10)，其特征在于，所述换能器元件(20)具有另一接触面(270)，所述第二电极(60)与所述接触面(270)连接，所述屏蔽装置(80)和所述栅格(90)与所述换能器元件(20)电绝缘，所述屏蔽装置(80)借助第三电极箝位到参考电位上。
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