声换能器的制作方法

本发明涉及一种声换能器，所述声换能器包括隔膜罐、换能器元件和壳体，其中，隔膜罐具有隔膜和壁。

背景技术：

超声波传感器尤其在汽车和工业应用中用于感测环境。周围环境中的对象可以被识别，其方式是，通过超声波传感器发射超声波信号并且再次接收由对象反射的超声波回波。由发射超声波信号和接收超声波回波之间的传播时间以及已知的声速可以计算出相对于该对象的距离。

超声波传感器典型地包括具有隔膜、换能器元件和壳体的声换能器。所述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将隔膜置入振动中，或为了接收超声波回波将在隔膜前面由声压激发的振动在隔膜上转换为电信号。这种声换能器在现有技术中是已知的，对此例如参照de102012201884al。已知的是，这种超声波传感器由塑料一件式地构造。

技术实现要素：

由此出发，本发明所基于的任务是，开发一种声换能器，该声换能器的隔膜和隔膜罐的振动性能可以更简单地调整。

为了解决该任务，提出一种根据权利要求1所述的声换能器。所述声换能器包括隔膜罐、换能器元件和壳体。在此，隔膜罐本身具有隔膜和壁。隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分由塑料一件式地构成。这种塑料的示例是环氧树脂、聚氨酯、聚酰胺或聚甲醛。在此，该塑料是母体材料、即相当于声换能器的基础材料。通过使用这种统一的母体材料，声换能器例如可以仅在一个过程中一件式地产生。在隔膜罐的至少一个第一区域中，一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料用第一填充材料填充。通过在隔膜罐的至少一个第一区域中用第一填充材料填充塑料可以使隔膜罐的振动性能简单地匹配于对应的应用情况。在这方面，隔膜罐的在通过超声波信号激励隔膜时应不太强烈地一起振动的区域例如可以用填充材料填充并且因此具有比没有填充材料的区域更高的内部减振。用于制造这样的声换能器的可能性例如是多材料注塑方法或注射方法。通过所属工具的结构构型和所设置的注射时间顺序的结构构型可以在声换能器中产生不同的区域。

优选地，一件式地构成隔膜罐的塑料不完全用第一填充材料填充。构造隔膜罐的至少一个第二区域，所述第二区域没有任何填充材料。因此，例如在隔膜罐的壁区域中的塑料可以用第一填充材料填充，然而在隔膜区域中的塑料没有第一填充材料。因此，可以防止或至少减少不希望的壁振动。关于这一点也存在以下可能性，隔膜罐的与其他区域相比不要求高功能性的区域用所谓的非活性填充材料填充。这种非活性填充材料作为材料明显比塑料材料便宜并且用于拉伸塑料。替代地或附加地，构造隔膜罐的至少一个第三区域，在该第三区域内用第二填充材料填充塑料，该第二填充材料与第一填充材料不同。因此，得到另一可能性来调整隔膜罐的振动性能。例如，塑料可以在隔膜的确定区域中用相互不同的填充材料填充，以便因此实现声换能器的确定的、所希望的方向特征。在隔膜罐的第一区域和/或第三区域中，填充材料的体积含量处于百分之5至百分之80之间。优选地，填充材料的体积含量在百分之15至百分之60之间。在隔膜罐的第一区域和第三区域中的体积含量可以分别相等或不同。

优选地，第一填充材料或第二填充材料是短纤维。短纤维具有相对于其它可能的填充材料重量较小同时弹性模量相对较高的优点。因此，例如能用与由不填充短纤维的塑料组成的壁相比较小的壁厚来构造隔膜罐的壁。替代地，第一填充材料和第二填充材料可以是短纤维。因此，例如塑料可以在隔膜罐的区域中用经切割的碳纤维填充并且在第二区域中至少部分地用短玻璃纤维填充。基本上由碳组成的短纤维与短玻璃纤维相比具有较高的弹性模量，并且因此优选用于需要较高刚度的区域。与此相对，短玻璃纤维具有较高的抗拉强度和抗压强度，这能够在得到一定弹性的同时确保塑料的加固。

优选地，第一填充材料或第二填充材料是至少一种材料，所述至少一种材料具有比一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料高的密度。对此的示例是由铝和/或黄铜和/或不锈钢组成的金属粉末。在此，金属粉末的颗粒可以具有例如呈球形的对称形状。但替代地，金属粉末的颗粒也可以具有不对称的形状。优选地，颗粒大小小于声换能器的最小尺寸。与未填充的塑料相比，用这种填充材料填充的塑料具有较大的密度和刚度。由于密度和刚度的提高，例如可以提高隔膜罐的确定区域的声学阻抗。例如，用这种填充材料填充的塑料也具有提高的抵抗异物侵入的稳健性。因此，例如相对于外部周围环境不封闭的区域可以用这种填充材料来填充，用于保护免受异物的影响。根据形成金属粉末的金属，不同强度地显现上述效果的作用。因此，例如，铝具有比黄铜低的密度和更小的弹性模量。因此也可行的是，第一填充材料和第二填充材料是至少一种材料，该材料具有比一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料高的密度。应具有抵抗异物侵入的高保护性的第一区域例如可以由用黄铜粉末填充的塑料构成。隔膜罐的相比之下不要求抵抗异物侵入的高保护性的第二区域可以用在制造中相对便宜的填充材料来填充。

优选地，第一填充材料或第二填充材料是至少一种材料，所述至少一种材料具有比一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料低的密度。尤其，所述至少一种材料涉及空气填充的玻璃空心体或空气填充的塑料空心体。构成塑料空心体的塑料例如可以是与一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料相同的塑料。但替代地，也可以是不同的塑料。在此，空心体可以具有例如呈球形或空心纤维形的对称形状。替代地，空心体也可以具有不对称的形状。优选地，空心体大小小于声换能器的最小尺寸。用这种填充材料填充的塑料与未填充的塑料相比具有较小的密度和刚度。由于密度和刚度的减小例如可以使隔膜罐的确定区域的声学阻抗减小。因此，例如可以调整隔膜罐的膜的方向特征。第一填充材料和第二填充材料也可以是这样的材料：该材料具有比一件式地构成隔膜、隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的塑料低的密度。空气填充的玻璃空心体在制造中例如比空气填充的塑料空心体更便宜，但为此具有比空气填充的塑料空心体相比小的密度和刚度。这些不同的特性可以针对隔膜罐的不同区域来使用。

优选地，隔膜罐的膜至少部分地由用第一填充材料填充的塑料构成。在此，产生用于构型隔膜的多种可能性。例如，塑料可以至少在隔膜的内部的圆形区域中用第一填充材料填充。因此，例如可以使隔膜的阻抗匹配于对应的应用情况。例如，塑料也可以在隔膜的内部的椭圆形区域中用第一填充材料填充。因此，可以优化隔膜的方向特征。优选地，塑料在隔膜罐的壁和壳体的至少一部分的区域中没有填充材料。由此，得到低成本的声换能器。

本发明的另一主题是一种具有前面所说明的声换能器的超声波传感器。

附图说明

图1至8示意性地示出了根据本发明的声换能器的不同实施方式。

图9示意性地示出了根据本发明的超声波传感器。

具体实施方式

图1以俯视图示出根据本发明的声换能器10a的第一实施方式。在此，虚线35应示出隔膜罐的壁的在该俯视图中不能看到的内面。在此，另一虚线45示出壳体40的一部分的在该俯视图中不能看到的内面。

声波换能器10a的隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分一件式地由塑料构成，该塑料在该第一实施方式中在相当于隔膜5的第一区域30a中完全用第一填充材料来填充。第一填充材料是这样的材料：该材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料高的密度。例如，第一填充材料可以是金属和/或陶瓷。通过这种构型不仅可以使向壳体部分40的振动传递降低，而且可以附加地这样调整隔膜5的机械特性，使得实现确定的、预给定的辐射特性。另一方面，以此提高隔膜5抵抗异物侵入到声换能器10a内部中的稳健性。

图2以俯视图示出根据本发明的声换能器10b的第二实施方式。在此，与图1中的声换能器10a的第一实施方式不同的是，塑料在隔膜5中心的第一圆形区域30b中用作为第一填充材料的短纤维来填充。在环形地包围第一区域30b的第二区域30c中，塑料用第二填充材料填充，该第二填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料高的密度。在此，在隔膜5的外边缘30d中以及声换能器10b的其余部分中，塑料又用第一填充材料来填充。通过构型具有在确定区域中不同程度地增强的隔膜5的声换能器提供了以下可能性，实现具有声辐射和声接收的不同方向特征的两个或多个谐振工作频率。可以借助合适的电子装置来利用多个工作频率，以便根据状况选择合适的方向特征。

图3以俯视图示出根据本发明的声换能器10c的第三实施方式。在此，在隔膜5中心的椭圆形的第一区域30f中，塑料用第一填充材料填充，该第一填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料低的密度。在此，在声换能器10c的剩余部分中的第三区域中，塑料没有填充材料。以此也可以这样调整隔膜5的机械特性，使得实现确定的预给定辐射性能。

图4以纵截面示出根据本发明的声换能器10d的第四实施方式。在此，塑料在隔膜5中心的第一区域30g中用第一填充材料填充，所述第一填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料低的密度。与此相对地，塑料在隔膜的边缘区域中的第二区域30h中和在隔膜罐20的壁的区域中用第二填充材料填充，该第二填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料高的密度。在此，在传感器壳体40中的第三区域中，塑料没有填充材料。通过声换能器的这种构型例如可以阻止隔膜5的振动传播到隔膜罐20上并且进一步传播到传感器壳体40上。

图5以纵截面示出根据本发明的声换能器10e的第五实施方式。在此，与图4中的第四实施方式不同的是，塑料在隔膜5的边缘区域30j中、隔膜罐20的壁中和传感器壳体40的一部分中用短纤维填充。

在图6中，又与图5中的第五实施方式不同的是，在相应于隔膜5的第一区域30k中的塑料完全用第一填充材料填充。在此，第一填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料低的密度。

通过在图5和图6中示出的声换能器10e和10f的实施方式例如也可以阻止，隔膜罐和传感器壳体在隔膜振动期间一起振动。

图7示出与前述实施方式不同的声换能器10g，在该声换能器中，隔膜5至少部分地构造为两层。在此，塑料在第一区域中，在隔膜5的指向声换能器10g内侧的下层301中，用第一填充材料填充。在此，第一填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料低的密度。与此相对，在隔膜5的指向声换能器10g的外部周围环境的第二层30m中，塑料用短纤维填充。与此相对，图8示出该构型的另一可能性，然而在该可能性中，隔膜5的下层30n用第一填充材料填充，该第一填充材料具有比一件式地构成隔膜5、隔膜罐20的壁和壳体40的至少一部分的塑料高的密度。通过隔膜的两层构造可以在这两种情况下产生阻抗匹配层用于例如在水中应用声换能器。

图9以纵截面示意性示出根据本发明的超声波传感器60的一个实施方式。在该情况下，超声波传感器60包括根据图5的声换能器10e。然而，该超声波传感器也可以包括根据前述实施方式的任意其他声换能器形式。在此，附加地，超声波传感器60具有呈压电元件形式的换能器元件70，所述换能器元件布置在隔膜5e的下侧。在此，换能器元件70通过连接电缆90与超声波传感器60的电子构件80连接。超声波传感器60的电子构件90例如可以是超声波传感器60的电路板和/或计算单元。