CN110545928B - 具有集成在可振动膜片中的带有电活性聚合物的换能器元件的声换能器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明提出一种尤其用于超声传感器的声换能器(1)。所述声换能器(1)具有功能组(2)，其中，所述功能组(2)包括膜片罐形件(6)和至少一个电声换能器元件(3)。所述声换能器还具有壳体(5)。所述膜片罐形件(6)具有可振动膜片(8)、壁(7)以及至少一个电声换能器元件(3)，其中，所述换能器元件(3)构造用于激励所述膜片进行振动和/或将所述膜片的振动转换成电信号。所述膜片罐形件由塑料材料构成，其中，根据本发明，所述至少一个换能器元件集成到可振动膜片中，其中，所述换能器元件具有电活性聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种声换能器，该声换能器包括膜片罐形件、换能器元件和壳体，其中，该膜片罐形件具有膜片和壁。
背景技术
超声传感器主要用于汽车和工业应用中来检测周围环境。可以识别周围环境中的对象，其方式是：通过超声传感器发送超声信号并且又接收由对象所反射的超声回波。由超声信号的发送与超声回波的接收之间的传播时间以及已知的声速可以计算出至对象的距离。
超声传感器通常包括具有膜片、换能器元件和壳体的声换能器。换能器元件例如涉及压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件在施加电压之后将膜片置于振动中，或者该压电陶瓷元件为了接收超声回波而将由膜片前部的声压所激励出的在膜片上的振动转换成电信号。这种声换能器在现有技术中是已知的，为此例如参见DE 10 2012 201 884A1。
压电陶瓷元件与膜片底部之间的连接通常通过粘合工艺来实现。这在制造过程和在运行中都容易出故障。超声传感器的功能组和壳体作为独立的单个部件被制造，并且随后被连接到一起。
DE 10 2013 222 076A1描述一种声换能器，该声换能器具有谐振器，该谐振器具有至少一个压电元件。将谐振器一件式地构造成膜片罐形件，该膜片罐形件具有膜片和环绕的包覆面，所述膜片和包覆面由相同材料构成。膜片罐形件例如由聚合物材料(如聚偏二氟乙烯(PVDF))或由压电陶瓷材料制成。将所述膜片的一个或多个区域极化，使得形成压电活性区域。
本发明所基于的任务是，说明一种具有简化的制造方法和简化的结构的声换能器。
发明内容
根据本发明，提出一种尤其用于超声传感器的声换能器。
声换能器具有功能组，其中，该功能组包括膜片罐形件和至少一个电声换能器元件。此外，声换能器具有壳体。膜片罐形件包括可振动膜片、环绕的壁以及至少一个电声换能器元件，其中，换能器元件构造用于激励膜片进行振动和/或将膜片的振动转换成电信号。膜片罐形件由塑料材料构成，其中，根据本发明将至少一个换能器元件集成到可振动膜片中，其中，该换能器元件包括电活性聚合物。
例如可以使用压电聚合物或压电驻极体(Piezoelektrete)作为电活性聚合物。例如可以使用热固性塑料(或者替代地使用热塑性塑料)作为膜片罐形件(包括可振动膜片)的塑料材料。环氧树脂尤其适合作为塑料材料。特别适合的塑料材料是碳纤维增强的和玻璃纤维增强的环氧树脂。
通过将具有电活性聚合物的换能器元件集成到换能器的可振动膜片中，可以实现机电转换。如此构造的传感器既可以用于接收也可用于发送声音——尤其超声。可以通过膜片中的几何构型来实现确定的期望振动形式和振动频率的构型。为此，例如可以构造具有不同厚度的膜片区域。常见的工作频率处于20至250kHz的范围之间，特别适合的是30至80kHz范围的频率。
根据本发明构造的声换能器尤其具有以下优点：与现有技术相比，通过减少构件的数量显著降低制造成本。此外，在制造时可以省去容易发生故障的粘合连接，这种粘合连接用于将单独的电声换能器元件或机电换能器元件耦合到可振动膜片中。由此进一步简化构造过程。同样避免(如现有技术所已知的)对可振动膜片的仅确定区域的进行后续极化，这种后续极化用于构造换能器元件。
因此，根据本发明构造的声换能器可以有利地使用在用于(例如借助空气超声)确定距离的传感器中。同样可以设想用于在液体中进行距离确定。由于一件式的构造以及由此导致的对于周围环境影响的稳健性，根据本发明构造的声换能器特别适合在汽车中使用。
在本发明的一种特别优选实施方案中，声换能器的壳体与声换能器的功能组一件式地构造或构造成一个构件。
为了进行电接通，根据本发明构造的声换能器尤其可以具有一个或多个电导体，其中，通过一个或多个电导体接通一个或多个换能器元件。通过将电信号施加到这些导体上，可以以已知的方式激励换能器元件进行振动，这些振动被传输到膜片上并且导致由声换能器发射声信号、尤其超声信号(声换能器的发送运行)。此外，入射的声波可以激励膜片进行振动，由此在换能器元件中产生电压信号，通过导体截取该电压信号(声换能器的接收运行)。为了在发送运行中产生电信号来激励膜片，和/或，为了在接收运行中分析处理由入射到换能器元件中的声波所产生的电压信号，导体例如可以借助插接连接与控制设备电连接，该控制设备构造用于产生和/或分析处理信号。
在本发明的一种优选实施方案中，至少一个换能器元件盘形地构造，并且该至少一个换能器元件具有第一表面以及与第一表面相对置的第二表面。该换能器元件如此集成到膜片中，使得第二表面朝向膜片罐形件内部的方向露出。
该实施方案提供以下优点：由于换能器元件的第二表面向内露出，可以以简单的方式换能器电接通。在该实施方案中，至少一个电导体可以直接接通在露出的第二表面上。
在本发明的一种替代优选实施方案中，至少一个换能器元件盘形地构造，并且该至少一个换能器元件具有第一表面以及与第一表面相对置的第二表面。换能器元件如此集成到膜片中，使得第一表面朝向膜片罐形件的发射方向露出。“发射方向”理解为垂直于膜片的延伸的如下方向：在激励膜片进行机械振动时，优选在该方向上发射声信号。换能器元件的这种布置具有将压电元件直接耦合到周围环境流体上的优点。这对于低密度流体而言是特别有利的。
在本发明的另一优选实施方案中，至少两个换能器元件集成到膜片中。所述至少两个换能器元件优选盘形地构造，并且相对于膜片罐形件的纵轴线彼此平行地布置。通过换能器元件的这种多层布置，能够有利地实现：声换能器具有提高的灵敏度。例如可以通过以下方式实现灵敏度的提高：在发送运行中，同时接通多个换能器元件中的几个或全部。由此可以实现膜片中更大的机械应力，这导致膜片的偏转增加并且因此导致声换能器的发送功率增加。在声换能器的接收运行中，可以在两个或更多的换能器处截取所接收的信号并使它们相关联。由此得到改善的信噪比，从而可以显著提高接收灵敏度。
优选地，至少一个换能器元件可以构造成预制的聚合物薄膜。在本发明中，“预制的”表示：以预定义的形式(例如剪切或冲压)由聚合物薄膜产生换能器元件。替代地，换能器元件可以构造成包括聚合物纤维材料的预成型构件。
在本发明的一种替代实施方案中，通过丝网印刷、旋涂(Spin-Coating)或浇铸方法来产生至少一个换能器元件。因此，能够将换能器元件构造得特别薄和/或能够以特别节省材料的方式构造换能器元件。
根据本发明的第二方面，说明一种用于根据本发明构造的声换能器的借助注塑或树脂传递模塑的可能的制造方法。
该方法尤其包括以下步骤：
a)将具有电活性聚合物的至少一个换能器元件引入到塑料加工工具的空腔中；
b)将塑料材料注入到空腔中，其中，由塑料材料至少部分地包围换能器元件，由此形成具有可振动膜片和壁的膜片罐形件，其中，将至少一个换能器元件集成到可振动膜片中。
在此，不一定必须按照所述顺序实施根据本发明的方法步骤a)和b)。因此，在本发明的范畴内同样可能的是：首先将塑料材料注入到空腔中，并且随后将具有电活性聚合物的至少一个换能器元件引入到压铸机的工具的空腔中。然而优选地，首先将具有电活性聚合物的换能器元件引入到空腔中，随后注入塑料材料。
为了进行换能器换件的电接通，可以将电导体(例如引脚)集成到空腔中。进行换能器的电接通的另一变型方案是，在将换能器元件引入到塑料加工工具的腔体中之前，通过换能器元件的导线接通来实现换能器的电接通。
根据本发明的制造方法能够实现(例如用于超声传感器的)声换能器的简单且经济的制造，该声换能器基于集成到膜片中的作为换能器元件的活性聚合物。由此，在制造时可以省去容易发生故障的粘合连接，由此得到简化的构造过程，该容易发生故障的粘合连接用于耦合电声换能器元件或机电换能器元件。此外，可以在一个工作步骤中优选将声换能器的功能组和壳体制造成一件式的整体构件。由此得到具有对于周围环境影响(例如侵入水分或污垢)的提高的稳健性的封闭构件。
在一种本发明的优选实施方案中，塑料加工工具的空腔如此构造，使得在步骤b)中将功能组与声换能器的壳体一件式地构造。通过一件式得到以下优点：成品构件具有对于周围环境影响(例如侵入水分或污垢)的提高的稳健性，并且还减少声换能器的构件数量以及用于组装声换能器所需的工作步骤的数量。
如已经提及的，可以将至少一个换能器元件构造成预制的聚合物薄膜或包括聚合物纤维材料的预成型构件。在所述方法的步骤a)中，可以将如此构造的换能器元件置入(einlegen)到压铸机的工具的空腔中。
替代地或附加地，可以在步骤a)中通过丝网印刷、旋涂或浇铸方法将至少一个换能器元件引入到压铸机的工具的空腔中。
附图说明
图1a)示意性地示出根据本发明的第一实施方案的声换能器；
图1b)放大地示出根据图1a)的声换能器的功能组；
图2示意性地示出根据本发明的第二实施方案的声转换器的功能组；
图3示意性地示出根据本发明的第三实施方案的声换能器的功能组；
图4示意性地示出根据本发明的第四实施方案的声换能器；
图5示意性地示出根据本发明的方法的一种可能的实施方案的流程图。
具体实施方式
在本发明的实施例的以下描述中，借助相同的附图标记表示相同的元件，其中，必要时省去对这些元件的重复性描述。所述附图仅示意性地示出本发明的主题。
在图1a)中示意性地示出根据本发明的第一实施方案的声换能器1的截面。声换能器具有壳体5，该壳体具有插头壳体11。声换能器包括与壳体一件式实施的功能组2。功能组包括膜片罐形件6，膜片罐形件具有可振动膜片8和环绕的壁7。膜片8例如可以圆形或椭圆形滴成型。膜片具有厚度减小或壁厚减小的区域4。通过这些区域的几何构型来确定声换能器的振动特性以及谐振频率。在该示例中，膜片罐形件6一件式地实施。此外，环绕的壁7直接过渡到壳体5中，其中，插头壳体11也与壳体5一件式地实施。声换能器1还具有换能器元件3，该换能器元件根据本发明具有电活性聚合物并且被集成到可振动膜片8中。
在图1b)中放大地示出根据第一实施例的换能器1的功能组2。在该示例中，换能器元件3构造成盘或薄膜，该换能器元件具有第一表面15、与第一表面相对置的第二表面13以及环绕的侧面14。换能器元件3如此集成到膜片中，使得第二表面13朝向膜片罐形件6内部的方向16露出。在此，换能器元件3如此集成到膜片8中，使得换能器元件3的第一表面15和侧面14都完全被膜片8的塑料材料包围，使得第二表面13与膜片齐平。
在图2中放大地示出根据本发明的第二实施例的声换能器1的功能组2的放大视图。在该示例中，换能器元件3构造为盘，该盘具有第一表面15以及与第一表面相对置的第二表面13。换能器元件3如此集成到膜片中，使得第一表面15朝向声换能器1的发射方向17露出。在此，例如引导电导体(例如导线或引脚(未示出))穿过膜片8的塑料材料，所述电导体用于接通换能器元件3。
在图3中放大地示出根据本发明的第三实施例的换能器1的功能组2。在该示例中，两个换能器元件3'、3”集成到膜片8中。这两个换能器元件3'、3”都盘形地构造并且分别构造有第一表面15'和15”、与第一表面相对置的第二表面13'和13”以及环绕的侧面，并且这两个换能器元件以其表面相对于膜片罐形件6的纵轴19彼此平行地布置。在此，第一换能器元件3'如此集成到膜片8中，使得第二表面13'朝向膜片罐形件6的内部16的方向露出。在此，第一换能器元件3'如此集成到膜片8中，使得换能器元件3'的第一表面15'和侧面14'都完全被膜片8的塑料材料如此包围，使得第二表面13'与膜片8齐平。在此，第一换能器元件3'如此集成到膜片8中，使得第二表面13'朝向膜片罐形件6的内部16的方向露出。第二换能器元件3”如此集成到膜片8中，使得该换能器元件3”完全被膜片8的塑料材料包围，即，表面13”、15”和14”都不是露出的。包括根据该实施方案的声换能器的超声传感器可以具有特别高的测量灵敏度。根据本发明具有电活性聚合物的换能器元件3'和3”可以以相同的方式构造。然而，也可以设想不同地构造换能器元件3'和3”，例如以不同的材料、几何形状和/或材料厚度来构造所述换能器元件。
在图4中示意性地示出根据本发明的示例性第四实施方案的声换能器1的截面。声换能器又具有壳体5，该壳体具有插头壳体11。声换能器包括与壳体一件式实施的功能组2。功能组包括膜片罐形件6，该膜片罐形件具有可振动膜片8和环绕的壁7。声换能器1还具有换能器元件3，该换能器元件根据本发明构造成压电陶瓷元件并且集成到可振动膜片8中。在该示例中，换能器元件3也构造成盘，该换能器元件具有第一表面15、与第一表面相对置的第二表面13以及环绕的侧面14。换能器元件3如此集成到膜片中，使得第二表面13朝向膜片罐形件6的内部16的方向露出。在此，膜片8的塑料材料仅部分地包围或者甚至不包围侧面14。由此得到制造过程中的可能的优点。替代地，换能器元件3也可以(如图1和图2所示)如此集成到膜片中，使得仅一个表面13或表面15是露出的。
根据本发明的第四实施方案，膜片的区域4'具有增加的厚度(材料累积)。通过区域4'的构型，可以对声换能器的谐振频率以及声换能器的方向特性进行匹配。在此，区域4'可以均匀地(对称地)或不均匀地(不对称地)布置。
图5示出用于根据本发明的声换能器的功能组的根据本发明的制造方法的流程。
在步骤100中，提供具有空腔的塑料加工工具，该空腔的形状匹配于声换能器的期望形状。
在步骤200中，将具有电活性聚合物且设置成换能器元件的元件引入到空腔中。可选地，可以设置电导体，该电导体接通换能器元件的电极。
在步骤300中，将塑料材料(例如环氧树脂)注入到空腔中，由此，至少形成声换能器的功能组，并且由此使塑料材料至少部分地包围换能器元件。如果空腔被相应地构型，则不仅可以将声换能器的功能组，而且还可以将壳体构造在一个构件中。
在步骤400中，必要时在凝固期之后移除功能组或包括功能组的构件以及声换能器的壳体。
Claims (12)
1.一种用于超声传感器的声换能器(1)，所述声换能器具有功能组(2)和壳体(5)，其中，所述功能组(2)包括膜片罐形件(6)和至少两个电声换能器元件(3'，3”)，其中，所述膜片罐形件(6)具有可振动膜片(8)和壁(7)，其中，所述换能器元件(3'，3”)构造用于激励所述膜片(8)进行振动和/或将所述膜片(8)的振动转换成电信号，其中，至少所述膜片罐形件(6)由塑料材料构成，
其中，所述至少两个换能器元件(3'，3”)集成到可振动膜片(8)中，其中，所述换能器元件(3'，3”)分别具有电活性聚合物，其特征在于，至少一个换能器元件(3')盘形地构造，并且所述至少一个换能器元件具有第一表面(15)以及与所述第一表面(15)相对置的第二表面(13)，其中，所述至少一个换能器元件(3')如此集成到所述膜片(8)中，使得所述第二表面(13)朝向所述膜片罐形件(6)的内部(16)的方向露出，
其中，至少一个另外的换能器元件(3”)基本上盘形地构造，并且所述至少一个另外的换能器元件具有第一表面(15)以及与所述第一表面(15)相对置的第二表面(13)，其中，所述另外的换能器元件(3”)如此集成到所述膜片(8)中，使得所述第一表面(15)朝向所述膜片罐形件(6)的发射方向(17)露出。
2.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器(1)具有一个或多个电导体，其中，通过所述一个或多个电导体接通所述换能器元件(3'，3”)。
3.根据权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述至少两个换能器元件(3'，3”)相对于所述膜片罐形件(6)的纵轴(19)彼此平行地布置。
4.根据权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述壳体(5)与所述功能组(2)一件式地构造。
5.根据权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，至少一个换能器元件(3)构造成预制的聚合物薄膜或包括聚合物纤维材料的预成型构件。
6.根据权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，至少一个换能器元件(3)通过丝网印刷、旋涂或浇铸方法产生。
7.根据权利要求1或2所述的声换能器，其特征在于，所述可振动膜片(8)具有厚度减小的区域(4)和/或厚度增大的区域(4')。
8.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的声换能器(1)的功能组(2)的方法，其中，
a)将分别具有电活性聚合物的至少两个换能器元件(3'，3”)引入到压铸机的工具的空腔中，
b)将塑料材料注入到所述空腔中，其中，由所述塑料材料至少部分地包围所述换能器元件(3'，3”)，由此形成具有可振动膜片(8)和壁(7)的膜片罐形件(6)，其中，所述至少两个换能器元件(3'，3”)集成到所述可振动膜片(8)中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述压铸机的工具的空腔如此构造，使得在步骤b)中，将所述功能组(2)与所述声换能器(1)的壳体(5)一件式地构造。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将至少一个换能器元件(3)构造成预制的聚合物薄膜或包括聚合物纤维材料的预成型构件，并且在步骤a)中将所述至少一个换能器元件置入到所述压铸机的工具的空腔中。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，通过丝网印刷、旋涂或浇铸方法将至少一个换能器元件(3)引入到所述压铸机的工具的空腔中。
12.一种超声传感器，所述超声传感器具有根据权利要求1至7中任一项所述的声换能器(1)。
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