JP2020511906A - 振動性ダイヤフラムに組み込まれた圧電セラミック変換素子を有する音響変換器 - Google Patents

Abstract

音響変換器（１）は機能群（２）を備え、該機能群（２）がダイヤフラムポット（６）と少なくとも１つの電気音響変換素子（３）とを有する。さらに、音響変換器（１）はハウジング（５）を備えている。ダイヤフラムポット（６）は、振動性のダイヤフラム（８）、および取り囲む壁（７）、ならびに少なくとも１つの電気音響変換素子（３）を備え、変換素子（３）は、ダイヤフラム（８）を励起して振動させるように、および／またはダイヤフラム（８）の振動を電気信号に変換するように形成されている。ダイヤフラムポット（６）はプラスチック材料から形成されており、本発明によると、少なくとも１つの変換素子（３）が、特に付加的な接着層なしに振動性ダイヤフラム（８）に組み込まれており、変換素子（３）は、圧電セラミック素子として形成されている。【選択図】 図１ａ

Description

本発明は、ダイヤフラムポットと変換素子とハウジングとを備えており、ダイヤフラムポットがダイヤフラムと壁とを有する、音響変換器に関する。

超音波センサは、とりわけ自動車および工業用途において周辺を検出するために用いられる。超音波センサによって超音波信号が送信され、物体に反射した超音波エコーが再び受信されることにより周辺にある物体を認識することができる。超音波信号の送信と超音波エコーの受信との間の伝搬時間と既知の音速とから物体との距離を算出することができる。

超音波センサは、典型的には、ダイヤフラムと変換素子とハウジングとを有する音響変換器を備えている。変換素子は、例えば電圧を印加してダイヤフラムを振動させるか、もしくは超音波エコーを受信するために、ダイヤフラムの前の音圧によって励起されたダイヤフラムの振動を電気信号に変換する圧電セラミック素子である。このような音響変換器は従来技術から知られており、これについては例えば特許文献１を参照されたい。

圧電セラミック素子とダイヤフラムの底部との接続は、通常、接着プロセスによって行われる。接着プロセスは、製造プロセスにおいてのみならず作動中にも故障を起こしやすい。超音波センサの機能群とハウジングとは別々の部品として製造され、続いて接合される。

特許文献２は、少なくとも１つの圧電素子を有する共振器を備えた音響変換器を記載する。共振器は、同じ材料からなるダイヤフラムおよび取り囲む外周面とを有する、ダイヤフラムポットとしてワンピースに形成されている。ダイヤフラムポットは、例えばポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）などのポリマー材料または圧電セラミック材料から製造されている。ダイヤフラムの１つまたは複数の領域が分極化され、それにより圧電的にアクティブな領域が形成される。

独国特許出願公開第１０２０１２２０１８８４号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３２２２０７６号明細書

上記のことを出発点として、本発明の課題は、製造方法を簡略化した、かつ構造を簡略化した音響変換器を提供することである。

本発明によると、特に超音波センサのための音響変換器が提案される。

音響変換器は機能群を備え、該機能群がダイヤフラムポットと少なくとも１つの電気音響変換素子とを有する。さらに、音響変換器はハウジング（５）を備えている。ダイヤフラムポットは、振動性ダイヤフラム、および取り囲む壁、ならびに少なくとも１つの電気音響変換素子を備え、変換素子は、ダイヤフラムを励起して振動させるように、および／またはダイヤフラムの振動を電気信号に変換するように形成されている。ダイヤフラムポットはプラスチック材料から形成されており、本発明によると、少なくとも１つの変換素子が、特に付加的な接着層なしに振動性ダイヤフラムに組み込まれており、変換素子は、圧電セラミック素子として形成されている。

変換素子は、接触および制御すべき電極を１つまたは複数の表面に有している。これらの電極は導電層として形成されていてもよい。

その場合、振動性ダイヤフラムに組み込まれる変換素子とは、変換素子がまず単独の部品として存在し、振動性ダイヤフラムを形成するときに、例えば射出成形法またはレジントランスファモールディング成形法によって、ダイヤフラムのプラスチック材料が変換素子を少なくとも部分的に包囲するように、振動性ダイヤフラムと結合されることと解されるべきである。

振動性ダイヤフラムを含めたダイヤフラムポットのプラスチック材料として、例えば熱硬化性樹脂、またはこれに代えて熱可塑性樹脂を使用することができる。プラスチック材料として特に適しているのはエポキシ樹脂である。

圧電セラミック素子として形成された変換素子を音響変換器の振動性ダイヤフラムに組み込むことによって電気機械的変換が可能になる。そのように形成されたセンサを音響、特に超音波の受信と送信とに用いることができる。ダイヤフラムの幾何形状によって、特定の所望の振動形および振動周波数を作ることができる。このために、例えば異なった厚さもしくは材料厚さを有するダイヤフラムの領域を形成することができる。通常の動作周波数は２０〜２５０ｋＨｚの範囲であり、３０〜８０ｋＨｚの範囲の周波数が特によく適している。特に、振動性ダイヤフラムは、低減された厚さを有する領域および／または増加した厚さを有する領域を有していてもよい。この場合、ダイヤフラムは、好ましくは０．１５ｍｍ〜５ｍｍの範囲の、特に好ましくは０．２〜１ｍｍの範囲の厚さもしくは材料厚さを有する。

ダイヤフラムポットの機械的に中立の軸に対する（すなわち、曲げ荷重の場合に引張応力、圧縮応力、またはせん断応力を示さない「ゼロ線（Nulllinie）」とも呼ばれる部品の領域に対する）圧電セラミック素子の距離によって、圧電セラミックの高い機械的変形が生じ、それにより可能な限り大きい電気機械的変換効果を得ることができる。

本発明により形成された音響変換器は、特に、部品点数を減らすことによって、従来技術と比べて製造コストが著しく低下するという利点を有する。さらに、製造において、別々の電気音響的変換素子もしくは電気機械的変換素子を振動性ダイヤフラムに結合するための誤りがちな接着結合を省略することができる。それによって組立プロセスがさらに簡略化される。従来技術から知られるような、変換素子を形成するために振動性ダイヤフラムのただ１つの特定の領域を後から分極化することも同様に回避される。

本発明により形成された音響変換器は、例えば空気超音波によって距離を決定するセンサにおいて有利に使用することができる。液中で距離を決定するために使用することも同様に考えられる。ワンピースに形成することによって、およびその結果としての環境の影響に対するロバスト性によって、本発明により形成された音響変換器は、特に自動車における使用に適している。

本発明の特に好ましい実施形態において、音響変換器のハウジングと機能群とはワンピースに、もしくは単一部品として形成されている。

本発明により形成された音響変換器は、電気的接触のために、特に１つまたは複数の電気導体を有していてもよく、１つの変換素子または複数の変換素子は、１つのまたは複数の電気導体によって接触させられる。これらの導体に電気信号を印加することによって、知られているように変換素子の振動が励起され、この振動がダイヤフラムに伝達され、音響変換器によって音響信号、特に超音波信号の放射をもたらす（音響変換器の送信動作）。さらに、入射する音波がダイヤフラムを励起して振動させ、それによって変換素子において電圧信号が生成され、この電圧信号が導体によって取り出される（音響変換器の受信動作）。送信動作においてダイヤフラムを励起するべく電気信号を生成するため、および／または受信動作において変換素子に入射する音波によって生成された電圧信号を評価するために、導体は、信号を生成および／または評価するために形成された制御装置と、例えばプラグ接続により電気的に接続されていてもよい。

本発明の好ましい一実施形態において、少なくとも１つの変換素子は、ディスク状に形成されており、かつ第１表面と、該第１表面の向かい側に位置する第２表面とを有している。変換素子は、第２表面がダイヤフラムポットの内部の方向に露出するように、ダイヤフラムに組み込まれている。この実施形態は、変換素子の第２表面が内部に向かって露出することにより、変換素子を簡単に電気的に接触させることができるという利点を提供する。この実施形態において、少なくとも１つの電気導体を、露出する第２表面上で直接接触させることができる。

この実施形態において、圧電セラミック素子が、同一側の、すなわち同一表面の２つの電極を電気的に接触させることができるように形成されていることが好ましい。このために、圧電セラミック素子は、特に周囲接触部（Umkontaktierung）を有する。その場合、電極は、ダイヤフラムと接続された第１表面上で面全体に形成され、圧電セラミック素子の縁を介して第２表面へ案内され、電極はそこで接触面を形成する。

これに代わる本発明の好ましい一実施形態において、少なくとも１つの変換素子がディスク状に形成されており、かつ第１表面と、該第１表面の向かい側に位置する第２表面とを有している。この場合、変換素子は、第１表面がダイヤフラムポットの放射方向に露出するように、ダイヤフラムに組み込まれていることが好ましい。その場合、ダイヤフラムの延在に対して垂直の方向であり、ダイヤフラムが励起され機械的に振動したときに音響信号が好ましくは放射される方向が放射方向と解される。変換素子のこの配置は、圧電素子が周囲の流体に直接結合するという利点を有する。このことは、特に高密度の流体の場合に有利である。この実施形態において、接触は、向かい側に位置する第２表面における周囲接触部によって行うことができる。

本発明の第２の態様によると、射出成形またはレジントランスファモールディング成形を用いた本発明により形成された音響変換器の可能な製造方法が記載される。方法は、特に、
ａ）圧電セラミック素子として形成された少なくとも１つの変換素子がプラスチック加工具のキャビティに入れられ、
ｂ）キャビティにプラスチック材料が注入され、変換素子がプラスチック材料によって少なくとも部分的に包囲され、それによって振動性ダイヤフラムと壁とを有するダイヤフラムポットが形成され、少なくとも１つの変換素子が振動性ダイヤフラムに組み込まれている、ステップを包含する。

その場合、本発明による方法ステップａ）およびｂ）は、必ずしもこの順序で行われなくてもよい。したがって、本発明の範囲内で、まずプラスチック材料がキャビティに注入され、時間的にこれに続いて少なくとも１つの、圧電セラミック素子として形成された変換素子をプラスチック加工具のキャビティに入れられることも可能である。しかし、まず圧電セラミック素子がキャビティに入れられ、続いてプラスチック材料が注入されることが好ましい。

圧電セラミック素子の電気的接触は、特に、プラスチック加工具のキャビティに入れる前に、例えばピン、ワイヤ、または他の電気導体をはんだ付け、接合、または熱圧着によって行うことができる。その場合、後続の電気的接続を可能にするために、電気接点がプラスチックで濡れる前に適当な密封措置によって保護される。

本発明による製造方法は、変換素子としての圧電セラミック素子をダイヤフラムに組み込むことにより、例えば超音波センサのための音響変換器の簡単かつ経済的な製造を可能にする。それによって、製造において電気音響的もしくは電気機械的変換素子を結合するための誤りがちな接着結合を省略することができ、それによって組立プロセスが簡略化される。液体状態のプラスチック材料は圧電セラミック素子を濡らし、続いて硬化するので、プラスチック材料と、そのようにして製造された音響変換器の変換素子である圧電セラミック素子との間に確実な付着が生じる。この確実な付着は、音響変換器の振動力学的（schwingungsmechanisch）特性の高い再現性をもたらす。さらに、接着相手の適用によって、例えば接着層厚さ、付着特性、または接着層の形状に公差を伴う接着層の必要がないので、音響変換器の振動力学的特性のロバスト性および再現性がさらに高まる。

本発明の好ましい一実施形態において、プラスチック加工具のキャビティは、ステップｂ）において機能群が音響変換器のハウジングとワンピースに形成されるように形成されている。ワンピースであることによって、特に、完成した部品が、例えば湿気または汚れの侵入など、環境の影響に対して高められたロバスト性を有し、さらに、音響変換器の部品点数と、音響変換器を組み立てるために必要な作業工程の数が減るという利点が生じる。

本発明の第１実施形態に係る音響変換器を模式的に示す図である。 図１ａによる音響変換器の機能群を拡大して示す図である。 本発明の第２実施形態に係る音響変換器の機能群を模式的に示す図である。 本発明の第３実施形態に係る音響変換器を模式的に示す図である。 図３ａによる音響変換器の機能群を拡大して示す図である。 本発明の第４実施形態に係る音響変換器を模式的に示す図である。 本発明の図１〜図４に示された実施例の１つに係る音響変換器の変換素子の可能な実施形態を拡大した図である。 本発明の図１〜図４に示された実施例の１つに係る音響変換器の変換素子の可能な実施形態を拡大した図である。 本発明の図１〜図４に示された実施例の１つに係る音響変換器の変換素子の可能な実施形態を拡大した図である。 本発明による方法の可能な一実施形態のフローチャートを模式的に示す図である。

本発明の実施例の以下の説明において同じ要素に同じ参照符号が付され、場合によってはこれらの要素についての説明の繰り返しが省略される。図は、本発明の主題を模式的に示すにすぎない。

図１ａ）に、本発明の第１実施形態に係る音響変換器１の断面が模式的に示されている。音響変換器は、プラグハウジング１１を有するハウジング５を備えている。音響変換器は、ハウジングとワンピースに形成されている機能群２を備えている。機能群は、振動性ダイヤフラム８と取り囲む壁７とを有するダイヤフラムポット６を備えている。ダイヤフラム８は、例えば円形または楕円形に成形されていてもよい。ダイヤフラムは、低減された壁厚を有する領域４を備えている。これらの領域の幾何形状によって音響変換器の振動挙動と共振周波数とが決まる。この例において、ダイヤフラムポット６はワンピースに形成されている。さらに、取り囲む壁７はハウジング５へ直接移行し、プラグハウジング１１もハウジング５とワンピースに形成されている。さらに、音響変換器１は、本発明によると、圧電セラミック素子として形成されていて、振動性ダイヤフラム８に組み込まれている変換素子３を有している。

図１ｂ）に、第１実施例に係る音響変換器１の機能群２が拡大して示されている。この例において、変換素子３はディスクとして形成されており、第１表面１５と、該第１表面の向かい側に位置する第２表面１３と、取り囲む側面１４とを有する。変換素子３は、第２表面１３がダイヤフラムポット６の内部１６の方向に露出するように、ダイヤフラムに組み込まれている。その際、変換素子は、変換素子３の第１表面１５と側面１４とがダイヤフラム８のプラスチック材料によって完全に包囲されて、第２表面１３がダイヤフラムと面一に終端するように、ダイヤフラム８に組み込まれている。この実施形態において、圧電セラミック素子として形成された変換素子３は、同一側、すなわち同一表面の２つの電極を電気的に接触させることができるように形成されている。

このことが図５に拡大して、および模式的にもう一度示されている。図５ａ）は、第１表面１５を上から見た変換素子３を示す。図５ｂ）は、変換素子３の断面を示す。図５ｃ）は、第２表面１３を上から見た、圧電セラミック素子として形成された変換素子３を示す。

この例において、変換素子３の第１表面１５は、面全体に形成された電極層２５で覆われている。変換素子３は、側面１４にわたって周囲接触部２５’を有しており、この周囲接触部によって、第１電極２５が圧電セラミック素子の縁を介して、第２表面１３へ案内され、第１電極はそこで接触面２５’’を形成する。第２表面１３には、第２電極２３が接触面２５’’から電気的に切り離されて形成されている。接触面２５’’および第２電極２３上には、変換素子３を制御するための電気導体１８が、例えばはんだ付けまたは接合によって接触させてある。

図２において、本発明の第２実施例に係る音響変換器１の機能群２が拡大して示されている。この例において、変換素子３はディスクとして形成されており、第１表面１５と、該第１表面の向かい側に位置する第２表面１３とを有する。変換素子３は、第１表面１５が音響変換器１の放射方向１７に露出するように、ダイヤフラムに組み込まれている。この場合、変換素子の接触の電極は、図５と関連付けて説明されたものと同じか、または同等の仕方で形成されていてよい。そのために、例えばワイヤまたはピン（図示せず）などの電気導体が例えばダイヤフラム８のプラスチック材料に通されていてもよい。

図３ａ）において、本発明の第３実施形態に係る音響変換器１の断面が模式的に示されている。音響変換器は、この場合もプラグハウジング１１を有するハウジング５を備えている。音響変換器は、ハウジングとワンピースに形成されている機能群２を備えている。機能群は、振動性ダイヤフラム８と取り囲む壁７とを有するダイヤフラムポット６を備えている。音響変換器１は、さらに、本発明によると圧電セラミック素子として形成されていて振動性ダイヤフラム８に組み込まれている変換素子３を有する。

図３ｂ）において、第３実施例に係る音響変換器１の機能群２が拡大して示されている。この例でも、変換素子３はディスクとして形成されており、第１表面１５と該第１表面の向かい側に位置する第２表面１３と取り囲む側面１４とを有する。変換素子３は、第２表面１３がダイヤフラムポット６の内部１６の方向に露出するように、ダイヤフラムに組み込まれている。その際、側面１４は、ダイヤフラム８のプラスチック材料によって部分的にしか、または全く包囲されていない。その結果、製造プロセスにとって可能な利点が生じる。組み込まれるべき圧電セラミック素子をキャビティ内により簡単に配置、および固定することができる。さらに、この配置によって、中立軸（ゼロ線）に対する変換素子の距離がより大きくなる。

図４において、本発明の例示的な第４実施形態に係る音響変換器１の断面が模式的に示されている。本発明の第４実施形態に係る音響変換器１の構造は、図３と関連付けて説明された本発明の第３実施形態に係る音響変換器の構造に実質的に相当する。唯一の違いは、本発明の第４実施形態では、ダイヤフラムの領域４’が増加した厚さ（材料蓄積部）を有することである。領域４’を形成することにより、音響変換器の共振周波数および音響変換器の指向特性（Richtcharakteristik）を適合させることができる。その際、領域４’は、均等（対称）に配置されていてもよいし、または不均等（非対称）に配置されていてもよい。

図６は、本発明による音響変換器の機能群の本発明による製造方法のフローチャートを示す。

ステップ１００において、音響変換器の所望の形状に形状を適合させたキャビティを有するプラスチック加工具が提供される。

ステップ２００において、変換素子として予定されている圧電セラミック素子がキャビティに入れられる。オプションで、圧電セラミック素子の電極を接触させる電気導体がすでに設けられてもよい。

ステップ３００において、例えばエポキシ樹脂であるプラスチック材料がキャビティ内に注入され、それによって音響変換器の少なくとも機能群が形成され、それによって圧電セラミック素子がプラスチック材料によって少なくとも部分的に包囲される。キャビティが相応に形成されている場合、音響変換器の機能群だけでなくハウジングも１つの部品に形成することができる。

ステップ４００において、場合によっては凝固時間の後に、音響変換器の機能群、もしくは音響変換器の機能群とハウジングとを備える部品が取り出される。

１ 音響変換器
２ 機能群
３ 変換素子
４ 低減された厚さの領域
４’ 増加した厚さの領域
５ ハウジング
６ ダイヤフラムポット
７ 壁
８ ダイヤフラム
１３ 第２表面
１５ 第１表面
１６ 内部
１７ 放射方向
１８ 電気導体
２３ 第２電極
２５ 第１電極
２５’ 周囲接触部
２５’’ 接触面

Claims (12)

1. 機能群（２）を備え、該機能群（２）がダイヤフラムポット（６）と少なくとも１つの電気音響変換素子（３）とを有し、さらにハウジング（５）を備え、前記ダイヤフラムポット（６）が振動性ダイヤフラム（８）と壁（７）とを有し、前記変換素子（３）が、前記ダイヤフラム（８）を励起して振動させるように、および／または前記ダイヤフラム（８）の振動を電気信号に変換するように形成されており、少なくとも前記ダイヤフラムポット（６）がプラスチック材料から形成されている、音響変換器（１）において、
   前記少なくとも１つの変換素子（３）が、前記振動性ダイヤフラム（８）に組み込まれており、前記変換素子（３）が、圧電セラミック素子として形成されていることを特徴とする、音響変換器。
2. 前記少なくとも１つの変換素子（３）が、付加的接着層なしに前記振動性ダイヤフラム（８）に組み込まれていることを特徴とする、請求項１に記載の音響変換器。
3. 少なくとも１つの変換素子（３）が、ディスク状に形成されており、かつ第１表面（１５）と、該第１表面（１５）の向かい側に位置する第２表面（１３）とを有し、前記変換素子（３）が、前記第２表面（１３）が前記ダイヤフラムポット（６）の内部（１６）の方向に露出するように、前記ダイヤフラム（８）に組み込まれていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の音響変換器。
4. 少なくとも１つの変換素子（３）が、実質的にディスク状に形成されており、かつ第１表面（１５）と該第１表面（１５）の向かい側に位置する第２表面（１３）とを有し、前記変換素子（３）が、前記第１表面（１５）が前記ダイヤフラムポット（６）の放射方向（１７）に露出するように、前記ダイヤフラム（８）に組み込まれていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響変換器。
5. 前記音響変換器（１）が電気導体（１８）を有し、前記変換素子（３）が、前記電気導体（１８）によって接触させられる電極（２３、２５）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響変換器。
6. 第１電極（２５）が、前記変換素子（３）の第１表面（１５）に形成されており、第２電極（２３）が、前記変換素子（３）の前記第１表面（１５）の向かい側に位置する第２表面（１３）に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の音響変換器。
7. 前記変換素子が周囲接触部（２５’）を有し、該周囲接触部（２５’）によって、前記第１電極（２５）が、前記変換素子（３）の縁（１４）を介して前記第２表面（１３）へ案内され、前記第１電極はそこで接触面（２５’’）を形成することを特徴とする、請求項６に記載の音響変換器。
8. 前記ハウジング（５）と前記機能群（２）とがワンピースに形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の音響変換器。
9. 前記振動性ダイヤフラム（８）が、低減された厚さを有する領域（４）および／または増加した厚さを有する領域（４’）を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の音響変換器。
10. 超音波センサであって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の音響変換器（１）を有する、超音波センサ。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の音響変換器（１）の機能群（２）を製造する方法であって、
    ａ）圧電セラミック素子として形成された少なくとも１つの変換素子（３）がプラスチック加工具のキャビティに入れられ、
    ｂ）前記キャビティにプラスチック材料が注入され、前記変換素子（３）が、前記プラスチック材料によって少なくとも部分的に包囲され、それによって振動性ダイヤフラム（８）と壁（７）とを有するダイヤフラムポット（６）が形成され、前記少なくとも１つの変換素子（３）が前記振動性ダイヤフラム（８）に組み込まれている、方法。
12. 前記プラスチック加工具のキャビティが、ステップ（ｂ）において前記機能群（２）が前記音響変換器（１）のハウジング（５）とワンピースに形成されるように形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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