CN110326039B - 声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种声换能器(1)，包括膜片罐形件(3)、换能器元件(16)和壳体，其中，所述膜片罐形件(3)具有膜片(2)和壁(4)。所述膜片罐形件(3)的所述膜片(2)、所述壁(4)和至少一个壳体部分(6)一件式地构型为纤维塑料复合构件(7)，其中，所述纤维塑料复合构件(7)的至少一个第一区域(10)是以纤维增强的并且所述纤维塑料复合构件(7)的至少一个第二区域(11)是无纤维的，使得在所述纤维塑料复合构件(7)中的波在从所述至少一个第一区域(10)至所述至少一个第二区域(11)的过渡部处至少部分地被反射。

Description

声换能器

技术领域

本发明涉及包括膜片罐形件、换能器元件和壳体的声换能器，其中，膜片罐形件具有膜片和壁。

背景技术

超声传感器主要使用在汽车和工业应用中来感测周围环境。在周围环境中的物体可以被识别，其方式是，通过超声传感器发射超声信号并且又接收由物体反射的超声回波。然后由在超声信号的发射和超声回波的接收之间的运行时间以及已知的声速可以计算出与物体的距离。

超声传感器典型地包括具有膜片、换能器元件和壳体的声换能器。换能器元件例如是压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件在施加电压之后使膜片处于振动中或为了接收超声回波将由膜片前的声压所激励出的、在膜片上的振动转化成电信号。这种声换能器在现有技术中已知，对此例如参见DE 10 2012 201 884 A1。

对于声换能器的正常功能而言必要的是，避免振动耦入到声换能器的壳体中，因为到壳体中的强烈振动导入导致在切断膜片由换能器元件的激励之后膜片的延长的后续振动(Nachschwingung)。这种后续振动限制通过超声传感器可测量的最小间隔。后续振动时间越长，可测量的最小间隔越大。因此，在现有技术中常见的是，将声换能器和壳体制造为分开的单独部件并且在使用附加的密封件的情况下组合。例如使用硅环作为密封件，该硅环除了壳体密封的功能外也承担振动解耦的功能。然而对此的缺点是，所使用的密封件表现为对于引入湿气或污物的潜在薄弱点并且在制造超声传感器时针对密封件的安装需要附加的工作步骤。

发明内容

提出一种声换能器，包括膜片罐形件、换能器元件和壳体，其中，膜片罐形件具有膜片和壁。此外设置为，膜片罐形件的膜片、壁和至少一个壳体部分一件式地构造为纤维塑料复合构件，其中，纤维塑料复合构件的至少一个第一区域是以纤维增强的并且纤维塑料复合构件的至少一个第二区域是无纤维的，使得在复合构件中的波在从所述至少一个第一区域至所述至少一个第二区域的过渡部处至少部分地被反射。

所提出的声换能器具有膜片，该膜片优选构型为圆面并且在膜片罐形件中邻接到优选相应的圆柱形的壁上。替代地可以考虑，对于膜片和相应地对于膜片罐形件的壁设置另外的形状。这样膜片例如也可以构型为椭圆面或矩形面，其中，膜片罐形件的壁具有相应的形状，因此例如同样构型为椭圆柱体或矩形柱体。

至少一个壳体部分一件式地连接到膜片罐形件的壁上。声换能器的壳体接收换能器元件以及可能的其他部件、如用于操控换能器元件的器件。此外，壳体尤其可以包括固定器件，通过该固定器件可以将声换能器固定在它的使用位置上。

为了减少声换能器的壳体的干扰振动而设置为，在纤维塑料复合构件区域构造有不同的振动特性。例如从膜片出发在复合构件中传播的波在具有不同振动特性的区域之间的过渡部处至少部分地被反射。由于至少部分的反射，减少波在具有不同振动特性的区域之间的传递。

根据本发明，为了构造具有不同振动特性的区域而设置为，纤维塑料复合构件的至少一个第一区域是以纤维增强的并且纤维塑料复合构件的至少一个第二区域是无纤维的。通过引入用于增强纤维塑料复合构件的纤维，相关区域的密度或质量以及其强度和刚度改变。密度或由密度和体积可确定的质量和刚度影响相应区域的振动特性。

作为用于至少部分地反射纤维塑料复合构件内部的波的附加可行性方案优选设置为，在纤维塑料复合构件的外侧和/或内侧上布置有至少一个呈棱边或肋的形式的冲击点(Stoβstelle)。通过棱边或肋的附加布置，在该棱边或肋的区域中通过附加的质量和增大的刚度构造冲击点，运行经过纤维塑料复合构件的波在该冲击点处至少部分地被反射。棱边或肋与纤维塑料复合构件一件式地实施。

优选地，棱边和/或肋布置在纤维塑料复合构件中的以下部位处，在该部位处存在第一区域和第二区域之间的过渡部。以该方式，通过附加的棱边或肋进一步增强以纤维增强的区域和未增强的区域之间的过渡部的波反射的作用。

此外优选地，在纤维塑料复合构件内部使至少一个加固结构与纤维塑料复合构件连接。所述至少一个加固结构优选布置在膜片罐形件的壁的区域中。

加固结构优选具有高刚度、高质量和/或针对振动的高减振作用。

通过在膜片罐形件的壁的区域中布置至少一个单独的加固结构，加固结构位于端侧的膜片和在复合构件中一件式实施的壳体部分之间的过渡部的区域中。由此振动到壳体上的过渡被有效地抑制。

加固结构的材料优选从金属、陶瓷、塑料、纤维增强塑料或这些材料中的至少两种材料的组合中选择出。

纤维塑料复合构件的材料优选包括基底材料以及嵌入到基底材料中的纤维。

在所述至少一个第一区域中的纤维优选以单层或多层的纤维结构引入。纤维结构优选从织物、织品(Gelege)、针织品、针织面料、编织物、无纺布或这些纤维结构中的至少两种的组合中选择出。

优选地，纤维从玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)组成的纤维、由聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)组成的纤维、由液晶聚合物组成(LCP)的纤维、亚麻纤维或这些纤维中的至少两种纤维的组合中选择出。

纤维塑料复合构件的基底材料是塑料。塑料优选从热塑性或热固性塑料中选择出。环氧树脂尤其适合作为基底材料。

为了有效地抑制振动传递到纤维塑料复合构件的壳体部分上，优选对膜片的至少一个部分区域和/或膜片罐形件的壁的至少一个部分区域和/或壳体部分的至少一个部分区域进行纤维增强。在此，特别优选地，在从膜片至膜片罐形件的壁的过渡部和/或从膜片罐形件的壁至壳体部分的过渡部中设置从第一区域到第二区域的转变。

当膜片设有至少一个纤维增强的部分区域时，优选的是，膜片的所述至少一个纤维增强的部分区域的形状从圆面、椭圆面、圆环形状、椭圆环形状、矩形形状或这些形状中的至少两种形状的组合中选择出。在这些形状的多个形状的组合中特别优选的是，这些形状同心地布置、即这些形状具有共同的中点。优选地，膜片完全实施为第一区域、即纤维增强区域。

如果纤维被引入到多个层中，那么对于这些层中的每个层可以使用至少一个纤维增强的部分区域的相同的几何形状。替代地，对于这些层中的每个层可以改变所述至少一个纤维增强的部分区域的几何形状。例如可以在第一层中纤维增强的部分区域可以具有矩形形状并且在另外的层中纤维增强的部分区域可以具有圆形形状。

优选地，通过选择所述至少一个纤维增强的部分区域的形状和/或通过选择以纤维增强的部分区域的数量预给定膜片的至少两个不同的共振频率。

纤维塑料复合构件的壳体部分优选构造为壳体上部分，其中，声换能器优选附加地包括壳体下部分，该壳体下部分与壳体上部分连接。

在壳体上部分和壳体下部分之间的连接优选这样实施，使得湿气和污物均不能侵入到壳体内部中。但因为不需要该连接的减振特性，因此为了使壳体下部分与壳体上部分连接例如可以进行焊接或粘接。

优选地，声换能器的换能器元件实施为压电换能器、静电换能器、驻极体换能器或压电驻极体换能器。此外，声换能器可以在壳体内部包括其他部件、如用于操控换能器元件的器件。

优选地，壳体具有接口元件，通过该接口元件可以建立与声换能器的电连接。接口器件例如可以是穿过壳体的线缆套管或电插接连接部。

通过所提出的膜片罐形件的膜片、壁和至少一个壳体部分的一件式的实施，可以取消在由壁和膜片形成的换能器罐形件和壳体上部分之间的密封元件的布置。在这里，振动从膜片到壳体上部分上的传递通过设置在至少一个以纤维增强的第一区域与至少一个无纤维的第二区域之间的过渡部来避免。在所述至少一个第一区域和所述至少一个第二区域之间的边界上，所提出的复合构件的振动特性跳跃式地改变，使得出现运行经过复合构件的波的至少部分的反射。由此明显减少波经由过渡部的传递，而不需要布置另外的减振元件、如弹性体密封件。

在本发明的有利扩展方案中，波由于从纤维增强区域至未增强区域的过渡部所引起的反射通过布置加固结构和/或棱边进一步改善。既通过布置棱边或肋也通过布置加固结构实现所提出的复合构件的振动特性的跳跃式改变，其中，在该过渡区域处出现波的至少部分的反射。

通过取消在声换能器的壳体中布置弹性密封件的可能性，进一步增强声换能器相对于环境影响的稳固性，因为在壳体中不存在允许湿气或污物侵入的薄弱点。此外，简化了声换能器的制造，因为减少了组装的构件的数量。

在本发明的另外的变型方案中，声换能器构型具有划分成多个部分区域的膜片，其中，膜片的至少一个第一部分区域是纤维增强的并且膜片的至少一个第二部分区域是无纤维的。通过膜片的该构型产生以下可能性：实现两个或更多个具有声反射和声接收的不同方向特征的共振工作频率。多个工作频率可以借助于合适的电子部件用于根据情况选择合适的方向特征。

通过这种声换能器构型能够比通过根据现有技术的声换能器实现工作频率的更小间隔。工作频率的这种较小间隔对于以简单的信号处理电子部件来使用多个工作频率而言显示出特定优点。

在膜片的构型中，可以将纤维引入到多个层中。在此，对于每层可以改变膜片的纤维增强的部分区域和无纤维的部分区域的几何构型，使得一个或多个纤维层具有不同于其他纤维层的部分区域的几何构型。通过这种组合得出关于共振工作频率和方向特征的针对性调节方面的扩展的构型可能性。

附图说明

附图示出：

图1具有根据本发明的纤维塑料复合构件的声换能器，

图2至7具有至少一个纤维增强区域和至少一个无纤维区域的纤维塑料复合构件的不同实施方式，

图8至11具有纤维增强的膜片和布置在纤维塑料复合构件的内侧上的棱边的纤维塑料复合构件的实施方式，

图13和14具有附加的加固结构的纤维塑料复合构件的两个实施方式，和

图15至20具有在部分区域中增强的膜片的纤维塑料复合构件的不同实施方式。

具体实施方式

在下面对本发明的实施例的说明中，相同的元件标有相同的附图标记，其中，取消在个别情况中对这些元件的重复描述。附图仅示意性地示出本发明的主题。

图1以剖视图从侧面示出声换能器1的示意性示图。声换能器1包括纤维塑料复合构件7，该纤维塑料复合构件一件式地实施并且包括膜片罐形件3和壳体部分6。膜片罐形件3在端侧包括膜片2，该膜片邻接到膜片罐形件3的壁4上。在膜片2的内侧上接收有换能器元件16，该换能器元件例如实施为压电元件。替代地，换能器元件16例如可以实施为静电换能器、驻极体换能器或压电驻极体换能器。

换能器元件16通过连接导线18与操控电子部件20连接。

与纤维塑料复合构件7一件式实施的壳体部分6在图1的实施方式中构型为壳体上部分。壳体部分6的邻接到膜片罐形件3上的部分基本上构型为具有邻接到膜片罐形件3上的凸肩5的柱体形状。壳体部分6附加地具有接口区域9。接口导线22引导经过接口区域9，该接口导线建立与操控电子部件20的电连接。

在示出的示例中，操控电子部件20布置在壳体下部分8上，该壳体下部分与壳体上部分连接。替代地，将操控电子部件20装入到壳体部分6或纤维塑料复合构件7中。壳体下部分8仅用作为盖，以便封闭传感器。

在图1中示出的实施例中，纤维塑料复合构件7在膜片2的区域中通过纤维来增强，使得在那里构造纤维增强区域10。膜片罐形件3的壁4以及具有凸肩5和接口区域9的壳体部分6分别是没有纤维的并且因此构型为无纤维区域11。

在图1中示出的纤维塑料复合构件7的实施例中，在膜片2和膜片罐形件3的壁4之间存在以纤维增强的第一区域10和无纤维的第二区域11之间的过渡部。在该过渡部处，纤维塑料复合构件7的材料特性跳跃式地改变并且尤其纤维塑料复合构件7的振动特性跳跃式地改变。从膜片2开始运行经过纤维塑料复合构件7的波在该过渡部处至少部分地被反射，从而减少膜片2的振动经过壁4到壳体部分6上的传递。

在图2至7中示出纤维塑料复合构件7的不同实施变型方案。在此，图2至7分别以剖视图从侧面示出纤维塑料复合构件7。在此，纤维塑料复合构件7的几何形状在图2至7中示出的实施方式中是相同的。纤维塑料复合构件7相应地具有膜片罐形件3，该膜片罐形件具有膜片2和壁4。壁4过渡到壳体部分6中，其中，壳体部分6具有接口区域9。

纤维塑料复合构件7分别仅在以纤维增强的第一区域10和无纤维的第二区域11的布置方面不同。

在图2的实施方式中，如参照图1所示的那样，仅膜片2实施为以纤维增强的第一区域10。纤维塑料复合构件7的其余区域相应地构型为无纤维的第二区域11。

在图3的实施变型方案中，仅膜片罐形件3的壁4构型为以纤维增强的第一区域10。膜片2以及壳体部分6构型为无纤维的第二区域11。

在图4中示出的实施变型方案中，膜片2以及膜片罐形件3的壁4构型为无纤维的第二区域11。在图4中示出的实施例中，壳体部分6具有邻接到壁4上的凸肩5，该凸肩具有第一纤维增强区域10。壳体部分6的其余部分实施为无纤维的第二区域11。

在图5和6中，如参照图4所述那样，膜片2和壁4均构型为无纤维的第二区域11。在图5和6的实施方式中，壳体部分6的部分区域分别构型为第一区域10，其中，第一区域10相应地不邻接到膜片罐形件3的壁4上。在图6的示例中，仅接口区域9构型为第一区域10，剩余的纤维塑料复合构件7构型为无纤维的第二区域11。

在图2至6中示出的、用于至少一个第一区域10和至少一个第二区域11的布置的示例分别仅理解为例子。这些实施例可以任意地相互组合，如在图7中示出的那样。在此，图7示出图2、3和6的至少一个第一区域10的布置的组合。

此外，针对第一区域和第二区域的布置可以考虑多个其他组合。

图8至12分别示出具有膜片罐形件3的膜片2、壁4以及壳体部分6的纤维塑料复合构件7，如参照图2所述的那样。在图8至12的剖示图中可看出，膜片2实施为以纤维增强的第一区域10。纤维塑料复合构件7的其余区域是无纤维的。通过从以纤维增强的第一区域10至无纤维的第二区域11的过渡，在膜片2与壁4之间的过渡部处实现纤维塑料复合构件7的振动特性的改变，借助于该改变使从膜片2朝着壳体部分6的方向运动的波至少部分地被反射。

为了进一步促进波的反射并且进一步减小在纤维塑料复合构件7的膜片2外部的振动，在图8至12的实施方式中的从膜片2至膜片罐形件3的壁4的过渡部处分别布置有至少一个呈棱边12形式的突出部。在棱边12的区域中相对于纤维塑料复合构件7的其余区域在局部设置增大量的材料，使得该区域具有不同于纤维塑料复合构件7的其余部分的振动特性。

在此，在图8的实施方式中布置有单个棱边12，该棱边在纤维塑料复合构件7的内侧上在从壁4至膜片2的过渡部的区域中环绕地构型。在图9的实施方式中，棱边12具有两个阶，使得棱边12不仅引入一个冲击点，而是引入两个直接相继的冲击点，波可以在所述冲击点处被反射。

在图10的实施方式中，在棱边12上附加地布置有环绕的肋13，该肋与棱边1材料锁合地连接并且通过另外的材料进一步增大在该区域中的刚性和质量。由此，肋13的设置也导致产生冲击点，在材料中的波在该冲击点处至少部分地被反射。

在图11的实施方式中，棱边12倒圆地构型，但其余部分相应于参照图8所描述的实施方式。

在图12中示出的实施方式中，除了已经参照图8所述的实施方式之外附加地在壳体部分6的区域中布置有附加的棱边12’。由此，在该实施方式中构造有两个冲击点，所述冲击点特别好地抑制波从膜片2至接口区域9的过渡。

在图8至12中示出的实施变型方案当然能够任意地组合。此外可以考虑，在另外的、图8至12中未示出的位置上布置棱边和/或肋。棱边或肋分别优选材料锁合地构造在纤维塑料复合构件中。

在图13和14中示出纤维塑料复合构件7的两个实施方式，其中，纤维塑料复合构件7又具有膜片2、壁4以及壳体部分6。

在图13中示出的实施方式中，在壁4的区域中两个加固结构14与纤维塑料复合构件7连接。在加固结构14与纤维塑料复合构件7连接的部位上提高刚性，使得在那里产生冲击点。在通过两个加固结构14引入的冲击点处，运行经过纤维塑料复合构件7的波至少部分地被反射，使得明显减少波从膜片2到壳体部分6上的传递。

在图14中示出的变型方案中，与参照图13所述的实施方式不同的是，布置有仅一个加固结构14。为了减少波尤其到接口区域9中的传递，在图14示出的实施方式中接口区域9已经构型为第一区域10并且以纤维增强。相对于壳体部分6的构型为无纤维的第二区域11的其他部分，纤维塑料复合构件7的振动特性在接口区域9中改变，使得在过渡部处产生冲击点并且运行经过纤维塑料复合构件7的波至少部分地被反射。

在图13和14中示例性示出的加固结构14当然也可以与图2至12中示出的实施变型方案组合。此外，本领域技术人员也可以在其他位置上布置加固结构14。

在图15至19中分别以从上方的视图示出纤维塑料复合构件7，其中，端侧的膜片2的至少一个部分区域分别实施为以纤维增强的第一区域10，并且膜片2的至少一个另外的部分区域构型为无纤维的第二区域11。

在图15中示出的实施方式中，膜片2的单个第一区域10以纤维增强。该第一区域10以圆面的形式实施，该圆面居中地布置在膜片2的同样圆形的面上。在图15示出的实施方式中，膜片2的面完全构型为第一区域10。

在图16中示出的实施方式中，以纤维增强的单个第一区域10实施为圆环，该圆环的中点与膜片2的面的中点一致。因此，在膜片2的中心构造有无纤维的第二区域11。

在图17中示出的实施变型方案中，除了图16的单个第一区域10之外在膜片2的中心附加地构造有呈圆面形式的另外的第一区域10。

在图18中示出的实施方式中，在膜片2的面上构造有两个以纤维增强的第一区域10。在此，两个第一区域10同心地布置，即它们的两个中点一致。所述第一区域10中的一个第一区域实施为椭圆面并且另一个第一区域10实施为椭圆环。膜片2的位于两个第一区域10之间的面构型为没有以纤维增强的第二区域11。

在图19中示出膜片2，该膜片具有单个第一区域10。在此，第一区域10构型为矩形面，该矩形面的中点相当于膜片2的中点。

在图20中示出膜片2，该膜片除了呈两个矩形形状的两个缺口之外构型为第一区域10并且由此以纤维增强。这两个矩形缺口是两个没有以纤维增强的第二区域11。

在图15至20中示出的实施方式中，膜片2分别具有至少一个第一区域10以及可能的第二区域11。通过该构型不仅可以减少振动到壳体部分6上的传递，而且可以附加地这样调节膜片2的机械特性，使得实现确定的预给定的反射性能。

通过在图15至20中示出的声换能器的构型得出本发明的其他优点。通过具有部分区域增强的膜片的声换能器构型，提供实现两个或更多个具有声反射和声接收的不同方向特征的共振工作频率的可能性。多个工作频率可以即借助于合适的电子部件用来根据情况选择合适的方向特征。

通过这种声换能器构型能够比通过根据现有技术的声换能器实现工作频率的更小间隔。工作频率的这种较小间隔对于以简单的信号处理电子部件来使用多个工作频率而言显示出特定优点。

本发明不局限于这里所述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内能够实现在本领域技术人员的常规操作框架内的多种改型。

Claims (12)

1.声换能器(1)，包括膜片罐形件(3)、换能器元件(16)和壳体，其中，所述膜片罐形件(3)具有膜片(2)和壁(4)，其特征在于，所述膜片罐形件(3)的所述膜片(2)、所述壁(4)和至少一个壳体部分(6)一件式地构型为纤维塑料复合构件(7)，其中，所述纤维塑料复合构件(7)的至少一个第一区域(10)是以纤维增强的并且所述纤维塑料复合构件(7)的至少一个第二区域(11)是无纤维的，使得在所述纤维塑料复合构件(7)中的波在从所述至少一个第一区域(10)至所述至少一个第二区域(11)的过渡部处至少部分地被反射，其中，在所述纤维塑料复合构件(7)的外侧和/或内侧上布置有至少一个棱边(12)或肋(13)，使得在所述纤维塑料复合构件(7)中的波在所述至少一个棱边(12)或肋(13)的区域中至少部分地被反射。

2.根据权利要求1所述的声换能器(1)，其特征在于，所述至少一个棱边(12)或肋(13)与所述纤维塑料复合构件(7)一件式地实施。

3.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，在所述纤维塑料复合构件(7)的内部，至少一个加固结构(14)与所述纤维塑料复合构件(7)连接。

4.根据权利要求3所述的声换能器(1)，其特征在于，所述加固结构(14)的材料从金属、陶瓷、塑料、纤维增强塑料或这些材料中的至少两种材料的组合中选择出。

5.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，在所述至少一个第一区域(10)中的纤维以单层或多层的纤维结构的形式引入，其中，所述纤维结构从织物、织品、针织品、针织面料、编织物、无纺布或这些纤维结构中的至少两种纤维结构的组合中选择出。

6.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，所述纤维从玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)组成的纤维、由聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)组成的纤维、由液晶聚合物组成(LCP)的纤维、亚麻纤维或这些纤维中的至少两种纤维的组合中选择出。

7.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，所述纤维塑料复合构件(7)的塑料从热塑性或热固性塑料中选择出。

8.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，所述膜片(2)的至少一个部分区域和/或所述膜片罐形件(3)的所述壁(4)的至少一个部分区域和/或所述壳体部分(6)的至少一个部分区域是纤维增强的。

9.根据权利要求8所述的声换能器(1)，其特征在于，所述膜片(2)的至少一个纤维增强的部分区域的形状从圆面、椭圆面、圆环形状、椭圆环形状、矩形形状或这些形状中的至少两种形状的组合中选择出。

10.根据权利要求8所述的声换能器(1)，其特征在于，所述纤维以多层纤维结构的形式引入到所述膜片(2)中，并且所述纤维增强的部分区域的形状在所述纤维结构的每个层中选择得不同。

11.根据权利要求8所述的声换能器(1)，其特征在于，通过选择所述至少一个纤维增强的部分区域的形状和/或通过选择以纤维增强的部分区域的数量预给定所述膜片(2)的至少两个不同的共振频率。

12.根据权利要求1或2所述的声换能器(1)，其特征在于，所述壳体部分(6)是壳体上部分并且所述声换能器(1)附加地包括壳体下部分(8)，该壳体下部分与所述壳体上部分连接。