CN107847979B - 声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声换能器(10；10a至10f)，包括膜片(11；62)和至少一个压电致动器(20；20a；40)，所述至少一个压电致动器布置成与所述膜片(11；62)作用连接，其中，所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)至少基本上垂直于所述膜片(11；62)的振动方向(13)地布置，其中，在所述膜片(11；62)和所述压电致动器(20；20a；40)之间布置有至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)，所述至少一个杠杆元件使所述膜片(11；62)与所述压电致动器(20；20a；40)连接并且构造用于将所述压电致动器(20；20a；40)的振动转换为所述膜片(11；62)的振动，或者反之，并且其中，在所述至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)和所述压电致动器(20；20a；40)之间构造有夹紧连接。根据本发明设置为，所述夹紧连接构造在所述压电致动器(20；20a；40)的沿所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)布置的端侧(23；23a、24；24a)和所述至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)之间的区域中，并且所述压电致动器(20；20a；40)通过所述至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)受到沿所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)走向的轴向预紧力(F)地布置。

Description

声换能器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的声换能器。
背景技术
根据权利要求1前序部分所述的声换能器由申请人的DE 10 2012 201884A1已知。这种声换能器例如使用在超声传感器中，通过所述超声传感器能够测量超声传感器和反射对象之间的间距。在此，声换能器作为辐射器和/或接收器使用，其中，在第一步骤中辐射超声脉冲。如果超声脉冲击中反射对象，则产生超声回声，该超声回声又可以通过声换能器检测出。由辐射超声脉冲和检测出超声回声之间经过的时间以及已知的声速可以推断出相对于反射对象的距离。这种声换能器尤其作为驾驶员辅助系统的组成部分用于在驾驶技巧方面支持车辆驾驶员。例如多个超声换能器彼此以确定的间距并排装入车辆保险杠的区域中。这种超声传感器或者说声换能器必须满足机械稳定性方面的高要求。尤其在布置在车辆前部的声换能器中，可能由于飞过的小石块或其他颗粒使声换能器在它的膜片区域中受到强烈负荷。在此，包含在所述声换能器中的、基本上由陶瓷组成的压电致动器或者说压电元件不应受损坏。压电元件的破碎会导致声换能器的完全失效。尤其由于最后提到的原因，从开始时提到的文献已知，压电元件或者说压电致动器不直接(全面地)与膜片连接，而是压电致动器平行于膜片并且相对于所述膜片具有间距地布置，并且通过至少一个杠杆元件与膜片连接。在此，在前面已知的文献中尤其设置为，所述至少一个杠杆元件在面向压电致动器的一侧上在压电致动器的端面区域中与压电致动器粘接。在压电致动器在平行于膜片的平面布置的振动平面中振动时，膜片通过所述至少一个杠杆元件同样处于振动中，其中，膜片的振动平面垂直于压电致动器的振动平面地走向。此外，从提到的文献可得出，通过所述至少一个杠杆元件的长度可以设计力和膜片的偏移的关系。因此，尤其能够实现压电致动器和膜片之间的振动幅度的不同传动比。也提到的是，替代于在文献中公开并且示出的粘接连接，也可以设置在压电元件或者说压电致动器的边缘区域中的夹紧连接。但是从所提到的文献中不能得出如何能够构造这种夹紧连接的详细说明。
发明内容
由示出的现有技术出发，本发明的任务在于，这样改造根据权利要求1前序部分所述的声换能器，从而构造在压电致动器和所述至少一个杠杆元件之间结构有利的连接。
根据本发明，该任务在具有权利要求1的特征的声换能器中由此解决：夹紧连接构造在压电致动器的沿压电致动器的振动方向布置的端侧和所述至少一个杠杆元件之间的区域中，并且压电致动器通过所述至少一个杠杆元件受到轴向预紧力地布置。
这种布置尤其能够实现，充分利用通常在压电致动器的区域中可供使用的径向结构空间来构造夹紧连接，并且因此例如减小压电致动器和膜片之间的间距，这降低了声换能器的结构高度。此外，通过由所述至少一个杠杆元件将轴向预紧力施加到压电致动器上能够实现，以机械预应力夹紧压电致动器的压电陶瓷。与此有关的电荷转移限定了工作点，其中，机械预应力能够改进压电致动器的效率。
根据本发明的声换能器的有利扩展方案在从属权利要求中列举出。
在夹紧连接的结构方面优选的构型中，该夹紧连接构造为形状锁合的连接，在该形状锁合的连接中所述至少一个杠杆元件或者压电致动器具有接收部，该接收部用于将压电致动器形状锁合地接收在该压电致动器的端侧区域中。这种构造尤其能够在压电致动器振动期间实现特别可靠的保持或特别可靠的夹紧连接，并且因此能够实现在所述至少一个杠杆元件和压电致动器之间特别可靠的连接。
在夹紧连接的结构方面优选的另一构型中设置，夹紧连接包括在压电致动器和所述至少一个杠杆元件之间凹形构造的接触面，该接触面用于构造自对中心的夹紧连接。由此压电致动器相对于所述至少一个杠杆元件的滑动导致较高的机械夹紧应力，该夹紧应力最终有利于滑回到特定的夹紧位置中，在该夹紧位置中发生受到最小机械应力的夹紧。
为了在构造用于产生振动的足够大的行程的同时构造机械上特别牢固的压电致动器，还可以设置，压电致动器构造具有以多个沿着压电致动器的振动平面的方向起作用的压电元件的堆叠式压电致动器，这些压电元件的振动幅度在压电致动器的振动平面中相加。
在所述至少一个杠杆元件的制造技术方面优选的构型中，该杠杆元件一件式地布置或构造在膜片上。
在结构方面优选的另一构型中，也可以设置，设置两个沿轴线相互铰接连接的杠杆元件，并且所述轴线优选对准压电致动器的垂直于压电致动器的振动平面布置的中间平面地布置。
为了能够实现这种声换能器的尽可能简单的装配过程，并且必要时还能够使用不同材料用于膜片和所述至少一个杠杆元件以及使用所述至少一个杠杆元件的能够不由膜片一件式地制造的几何结构，在最后提出的扩展方案中设置，所述两个杠杆元件借助于夹紧连接或卡锁连接与膜片的突起部连接。突起部例如可以一件式地成形在膜片上并且也具有相对小的长度，使得所述突起部能够相对简单地制造。
为了改进声换能器的功能性或避免沿不期望的方向辐射振动，还设置，膜片或声换能器配备有器件，该器件用于使沿着垂直于膜片振动平面布置的方向的振动衰弱和/或脱耦。这种器件例如可以通过在膜片的区域中构造径向环绕的凹部来构造，其中，膜片在凹部区域中的材料厚度减小。但是，替代地，也可以在提到的区域中代替凹部而设置膜片厚度增加。此外，也可以在声换能器的内室中设置与膜片分离的、呈泡沫形式或类似形式的阻尼元件，以便避免或减小声波沿不期望的方向的辐射。
作为用于膜片的材料考虑金属(优选铝)以及陶瓷材料或复合材料。尤其在杠杆元件一件式地布置在膜片上的情况下，有可能(取决于杠杆元件的几何形状)特别有利的是，由复合材料构造这种膜片，因为由此通常也能够制造相对复杂的几何形状。
在现有技术中或在通常的超声换能器中，压电致动器通过线材连接或键合连接与通常以印制电路板或类似物的形式的电路载体连接，其中，膜片显示为与电路载体分离的构件。为了实现特别复杂的和具有相对小的构件的声换能器，可以在改变的实施方式中设置，膜片是柔性的印刷电路板薄膜的组成部分，并且印刷电路板薄膜仅在背离膜片辐射方向的一侧上装备有构件。因此，印刷电路板薄膜本身构造膜片，使得可以取消分离的电路载体。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由下面对优选实施方式的描述以及参照附图得出。
附图示出：
图1示出第一声换能器在压电致动器的区域中的简化纵剖面，该第一声换能器具有以形状锁合的接收部的形式构造的夹紧连接，
图2同样以纵剖面示出相对于图1改变的、具有自对中心的夹紧连接的声换能器，
图3以纵剖面示出相对于图1修改的、具有布置在膜片上的阻尼元件的实施例，
图4示出由多个压电元件组成的压电致动器的简化剖面，该压电致动器可以替代地使用在声换能器中，
图5示出在使用两个相互铰接连接的杠杆元件的情况下再次修改的声换能器的纵剖面，
图6示出相对于图5改变的实施例的纵剖面，在该实施例中杠杆元件通过卡锁连接与膜片连接，
图7示出相对于图6改变的实施例，在该实施例中压电致动器直接固定在柔性的、形成膜片的印刷电路板薄膜，
图8示出另一声换能器在压电致动器的区域中的纵剖面，
图9示出沿着图8的箭头IX的方向的俯视图，和
图10在图9的平面IX-IX中的剖面。
相同元件或者说具有相同功能的元件在附图中设有相同附图标记。
具体实施方式
在图1中示出声换能器10的部分区域，该声换能器例如尤其作为驾驶员辅助系统的组成部分用于感测声换能器10或未示出的车辆与对象之间的间距。多个这种声换能器10尤其能够以确定的侧面间距彼此错位地设置在车辆的尾部区域或前部区域中的保险杠区域中。
声换能器10具有示例性地由金属、尤其由铝、替代地由复合材料或由陶瓷组成的膜片11。膜片11形成声换能器10的仅局部示出的壳体12的端侧并且可以例如通过未示出的脱耦件与壳体12脱耦。壳体12又以已知的方式装入到车辆保险杠的未示出的缺口中并且优选与保险杠面齐平地走向。
膜片11尤其具有圆形的横截面并且沿着显示膜片11的振动平面方向的双箭头13的方向能振动地构造。在面向壳体12的内室15的一侧上，在膜片11上一件式地成形两个杠杆元件16、17，所述杠杆元件用于固定盘形的压电致动器20，该压电致动器具有压电陶瓷。膜片11尤其在两个相同构造的杠杆元件16、17之间的区域中具有恒定的厚度d。在径向上布置于所述两个杠杆元件16、17之外的区域中，膜片11的厚度d由于径向环绕的凹部21而减小。
所述两个杠杆元件16、17具有横截面分别呈大致U形的接收部22，该接收部构造用于在两个相对置的端侧23、24的区域中包住压电致动器20。由此在所述两个杠杆元件16、17和压电致动器22之间构造形状锁合的夹紧连接，该夹紧连接在没有使用粘接材料的情况下也能够实现压电致动器20相对于膜片11的可靠保持和定位。压电致动器20具有振动平面，该振动平面沿着双箭头25的方向走向，其中，两个双箭头13、25或膜片11和压电致动器20的振动平面至少基本上相互垂直地布置，并且其中，所述两个端侧23、24垂直于双箭头25地布置。在由此优选相互平行布置的压电致动器20和膜片11之间构造有自由空间26，该自由空间使得膜片11能够振动或变形。所述两个杠杆元件16、17分别关于垂直于膜片11的平面走向的方向而言在接收部22和膜片11之间具有杠杆长度l并且还基本上刚性地构造。
在图1中示出一状态，在该状态中声换能器10或者说压电致动器10(并且因此膜片11也)没有被激励产生振动。在压电致动器20沿双箭头25的方向振动时，压电致动器10的振动通过所述两个杠杆元件16、17传递到膜片11上或者说导入到该膜片中，这又引起膜片11沿双箭头13的方向的振动。也重要的是，杠杆元件16、17的布置或者说几何构造是这样的，使得通过杠杆元件16、17在压电致动器20的两个端侧23、24中分别导入沿压电致动器20的平面走向的轴向预紧力F，因此压电致动器20在轴向方向上是“预紧”的。
在图2示出的声换能器10a与所述声换能器10的区别在于，压电致动器20a在两个端面23a、24a的区域中分别配备有凹形构造的接触面27、28，其中，所述两个接触面27、28相对于压电致动器20a的中间平面29对称地走向，在该中间平面中也进行在杠杆元件16a、17a的贴靠棱边31、32之间在压电致动器20a上的线形接触。在声换能器10a中也设置，通过杠杆元件16、17在压电致动器20a的两个端侧23、24的区域中分别将轴向预紧力F导入到压电致动器20a上。
在图3中示出的声换能器10b与根据图1的声换能器10的区别主要在于，两个杠杆元件16b、17b在背离膜片11的一侧上分别构造有延长部33。由于延长部33的几何构型或质量，从膜片11或者说声换能器10b辐射的信号在横交于双箭头13的方向走向的方向上衰减或者说衰弱。此外或者说附加地，可以设置，延长部33具有一共振频率，该共振频率与用来操控膜片11的频率明显不同，该频率优选是膜片11的共振频率。因此，膜片11和杠杆元件16b、17b的不同振动特性防止相邻的声换能器之间所谓的声学短路。替代地或附加地，也可以设置，例如在壳体12的内室15的区域中布置有阻尼质量35，如由现有技术已知的那样并且因此仅局部地示出。
在至此所描述的压电致动器20、20a中，所述压电致动器具有相对小的厚度，因为有效的压电层平行于压电致动器20、20a的平面地布置。代替这种压电致动器20、20a，也可以替代地使用相应于图4示图的压电致动器40。压电致动器40构造为所谓的堆叠式压电致动器40，在该压电致动器中，分别具有多个压电陶瓷层的多个压电元件41至44如此相互连接，使得这些压电元件的伸展尺寸相加。
在图5中局部地示出声换能器10c，在该声换能器中在它的膜片11上仅布置或成形相对短的突起部45、46。杠杆元件48、49的端部区域分别嵌接到两个突起部45、46中，所述杠杆元件在垂直于压电致动器40的振动平面布置的中间平面50中借助于轴线51相互铰接连接。在面向压电致动器40的端侧23、24的侧上，所述两个杠杆元件48、49具有接收面52、53，所述接收面使得能够在施加轴向预紧力F到端侧23、24上的情况下实现压电致动器40的夹紧接收。在压电致动器40沿着双箭头25的方向振动时，在所述两个杠杆元件48、49之间的角度改变，并且因此所述两个杠杆元件在突起部45、46的区域中相对彼此的间距也改变，这导致膜片11沿着双箭头13的方向变形或者说振动。通过杠杆元件48、49构造为相对于膜片11分离的构件的方式，杠杆元件48、49尤其也可以由与膜片11不同的材料组成。
在图6中示出的声换能器10d中，突起部45a、46a球形地构造或构造有接收部，该接收部与杠杆元件48a、49a的相应成形的端部区域54、55如此共同起作用，使得杠杆元件48a、49a可枢转地布置在突起部45a、46a的区域中。此外，相对于声换能器10c中的杠杆元件48、49，所述两个杠杆元件48a、49a至少在压电致动器40的区域中至少基本上彼此在一个共同的平面中取向。
根据图7部分示出的声换能器10e的特征在于，代替至此所述的膜片11，使用柔性的印刷电路板薄膜56，该印刷电路板薄膜本身能振动并且承担膜片11的功能。在面向声换能器10e的未示出的内室15的一侧上，压电致动器40以及示例性的其他构件57、58与印刷电路板薄膜56连接。
最后，在图8至10中示出另一声换能器10f，该声换能器的压电致动器40在两个端侧23、24的区域中分别具有垂直于图8的平面走向的槽状缺口61，膜片62的弯曲的端部区段63、64嵌接到该缺口中。膜片62的嵌接到缺口61中的两个端部区段63、64的间距在不受载的状态中小于缺口61的两个槽底部之间的间距，由此类似于至此所述的声换能器10、10a至10e通过膜片62将轴向预紧力F施加到压电致动器40上。所述两个端部区段63、64通过相对于膜片62的平面倾斜地布置的杠杆元件68、69与膜片62连接。如已经表明的那样，膜片62可以与端部区段63、64和杠杆元件68、69一起构造为一件式构件。但是也可能或有意义的是，杠杆元件68、69与端部区段63、64一起构造为与膜片62分离的构件。此外，能够可选地设置，压电致动器40在背离膜片62的一侧上与印制电路板65或者电路载体连接。最后可以相应于图10示图设置，在背离膜片62的一侧上设置反射器元件66、67，所述反射器元件能够实现声波朝着膜片62的方向的反射。
至此所述的声换能器10、10a至10f能够以多种方式改变或修改，而不偏离发明构思。

Claims (11)

1.声换能器(10；10a至10f)，包括膜片(11；62)和至少一个压电致动器(20；20a；40)，所述压电致动器具有沿所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)相对置地布置的两个端侧(23；23a、24；24a)，所述至少一个压电致动器布置成与所述膜片(11；62)作用连接，其中，所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)至少基本上垂直于所述膜片(11；62)的振动方向(13)地布置，其中，在所述膜片(11；62)和所述压电致动器(20；20a；40)之间布置有带着贴靠棱边(31、32)的两个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)，所述杠杆元件使所述膜片(11；62)与所述压电致动器(20；20a；40)连接并且构造用于将所述压电致动器(20；20a；40)的振动转换为所述膜片(11；62)的振动，或者反之，并且其中，在这两个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)中的各一个杠杆元件和所述压电致动器(20；20a；40)之间构造有夹紧连接，其中，相应的夹紧连接构造在所述压电致动器(20；20a；40)的沿所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)布置的两个端侧(23；23a、24；24a)中的各一个端侧和相应的杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)之间的区域中，并且所述压电致动器(20；20a；40)通过这两个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)受到沿所述压电致动器(20；20a；40)的振动方向(25)走向的轴向预紧力(F)地布置，其特征在于，所述压电致动器(20；20a；40)在这两个端侧(23；23a、24；24a)的区域中分别配备有凹形构造的接触面(27、28)，其中，这两个接触面(27、28)相对于所述压电致动器(20；20a；40)的中间平面(29)对称地走向，在该中间平面中进行在所述杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)的贴靠棱边(31、32)之间在所述压电致动器(20；20a；40)上的线形接触。
2.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，
所述夹紧连接构造为形状锁合的连接，在该形状锁合的连接中所述至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；48；48a；49；49a；68、69)或所述压电致动器(20；20a；40)具有接收部(22；52、53；61)，所述接收部用于使所述压电致动器(20；20a；40)形状锁合地贴靠在该压电致动器的端侧(23；23a、24；24a)区域中。
3.根据权利要求1或2所述的声换能器，
其特征在于，
所述夹紧连接包括在所述压电致动器(20)和所述至少一个杠杆元件(16a、17a)之间凹形构造的接触面(27、28)，所述接触面用于构造自对中心的夹紧连接。
4.根据权利要求1或2所述的声换能器，
特征在于，
所述压电致动器(40)构造具有以多个沿着所述压电致动器(40)的振动方向(25)起作用的压电元件(41至44)的堆叠式压电致动器(40)，这些压电元件的振动幅度沿着所述压电致动器(40)的所述振动方向(25)彼此相加。
5.根据权利要求1或2所述的声换能器，
其特征在于，
所述至少一个杠杆元件(16；16a；16b；17；17a；17b；68、69)与所述膜片(11；62)一起构造为一件式构件。
6.根据权利要求1或2所述的声换能器，
其特征在于，
设置两个杠杆元件(48；48a、49；49a)，所述两个杠杆元件沿轴线(51)相互铰接连接。
7.根据权利要求6所述的声换能器，其特征在于，
所述两个杠杆元件(48；48a、49；49a)借助于夹紧连接或卡锁连接与所述膜片(11)的突起部(45；45a、46；46a)连接。
8.根据权利要求1或2所述的声换能器，
其特征在于，
设置器件(21；35；66、67)，所述器件用于使沿着垂直于所述膜片(11；62)的所述振动方向(13)布置的方向的运动衰弱和/或脱耦。
9.根据权利要求1或2所述的声换能器，
其特征在于，
所述膜片(11；62)由金属、陶瓷或复合材料构造。
10.根据权利要求6所述的声换能器，其特征在于，所述轴线(51)对准所述压电致动器(40)的垂直于所述压电致动器(40)的所述振动方向(25)布置的中间平面(50)地布置。
11.根据权利要求9所述的声换能器，其特征在于，所述膜片(11；62)由铝构造。
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