超声波换能器的壳体；超声波换能器及其设计和制造方法与流程

本发明的实施例涉及用于超声波换能器的壳体、超声波换能器、车辆、壳体的增强结构的用途以及用于设计和制造超声波换能器的方法。因此，实施例涉及超声波换能器(特别是用于汽车应用，例如驾驶辅助和停车距离控制应用)的领域。

背景技术：

1、在现有技术中，超声波换能器是已知的，并且经常用于与停车辅助系统和距离控制以及其他驾驶员辅助应用相关的汽车应用。这些应用通常基于发射超声波的一个或多个超声波换能器，所述超声波至少部分由可能布置在相应超声波换能器的检测区域中的物体反射，并且通常由同一超声波换能器所接收。因此，超声波换能器可以具有发射器的功能以及接收器的功能。可以基于接收到的超声波的运行时间和振幅来提取关于物体的存在和可选距离的信息。

2、超声波换能器通常包括杯形壳体，所述杯形壳体具有底壁和基本为圆柱形的侧壁，它们在壳体内协同形成中空的空间。振荡发生器附接到壳体的底壁的内侧，并且配置为激发底壁的振荡，因此，底壁充当振动膜。通常将杯形壳体制造成铝制的单件。振荡发生器可以通过附接结构附接到底壁，以影响超声波换能器的振荡行为。此外，已知超声波换能器具有改变的底壁，以调节超声波换能器的振荡行为。此类超声波换能器例如在文献de102015015900b3、de102015015901b3以及de102015015903b3中有所描述。

3、de102006028211a1中描述了具有薄膜和圆柱形侧壁的超声波传感器。传感器还包括具有稳定效果和/或衰减效果的附加元件。de102013211630a1中描述了电声换能器，所述电声换能器具有附接到壳体的薄膜，其中壳体在薄膜附近具有减小的厚度。us6094402a中描述了超声波换能器，所述超声波换能器具有在膜片上方延伸的脊，并且将膜片与壳体的剩余部分分离，以便实现期望的振荡特性并形成聚焦波束。

技术实现思路

1、本发明的目的涉及提供在其可调谐性方面具有更高灵活性的超声波换能器，以及涉及用于调节超声波换能器的特性的方法。

2、问题通过具有相应独立权利要求的特征的用于超声波换能器的壳体、超声波换能器、车辆、壳体的增强结构的用途以及用于设计和制造超声波换能器的方法来解决。从属权利要求和说明书中提供了优选实施例。

3、一个实施例涉及用于超声波换能器的壳体。壳体包括适于充当振动膜的底壁，以及从底壁延伸的基本为圆柱形的侧壁，其中侧壁包括增强圆柱形的侧壁的弹性的增强结构。此外，壳体包括环形突起，所述环形突起在侧壁与底壁相对的末端从侧壁突出。增强结构包括结构修改，所述结构修改包括布置在侧壁的外表面和/或内表面处的至少一个环形凹槽，并且其中至少一个环形凹槽和底壁之间的距离对应于底壁和环形突起之间的距离的至少10％。

4、另一实施例涉及一种超声波换能器，所述超声波换能器包括根据实施例的壳体。超声波换能器还包括振荡发生器，所述振荡发生器附接到壳体的底壁以激发底壁的振荡，以及包括容纳壳体上端的安装元件，壳体的上端背离壳体的底壁，其中安装元件包围圆柱形侧壁的上部，并且其中壳体的侧壁的下部和壳体的底壁从安装元件处突出。

5、另一实施例还涉及一种包括根据上述实施例所述的壳体和/或超声波换能器的车辆。

6、另一实施例还涉及增强结构的用途，所述增强结构增强从壳体的底壁延伸的超声波换能器的壳体的圆柱形侧壁的弹性，以增加壳体的底壁的可能的振动幅度，从而提高超声波换能器的可实现的声压级和/或可实现的灵敏度。

7、另一实施例还涉及一种用于设计超声波换能器的方法。所述方法包括为超声波换能器选择壳体，所述壳体具有适于充当振动膜的底壁和从底壁延伸的基本为圆柱形的侧壁。方法还包括计算壳体的侧壁的结构修改，以增强圆柱形侧壁的弹性，从而调整超声波换能器的发射特性和/或灵敏度。计算壳体侧壁的结构修改可以包括对壳体的振荡行为和/或超声波换能器的发射特性进行计算机模拟。

8、另一实施例还涉及一种制造超声波换能器壳体的方法。所述方法包括提供用于超声波换能器的壳体，所述壳体具有适于充当振动膜的底壁和从底壁延伸的基本为圆柱形的侧壁。所述方法还包括对壳体的侧壁进行结构修改，以增强圆柱形侧壁的弹性，从而调节超声波换能器的发射特性和/或灵敏度。

9、超声波换能器是一种超声波装置，其可以提供发射超声波以及接收和检测超声波的功能。特别地，超声波换能器可以在第一时间段发射超声波，并在第二时间段接收和检测所发射的超声波的可能的反射。

10、振动膜适于在由振荡发生器激励时振动，其中振动膜的振动导致超声波由振动膜发射。

11、“基本为圆柱形”的侧壁意味着侧壁具有圆柱形形状，但允许偏离完美的圆柱形形状。这种偏离可能涉及侧壁的底部区域，特别是底壁，其不具有完美的圆形形状。例如，底壁可以具有椭圆形形状，在这种情况下，例如侧壁可以通过具有椭圆形底部区域而偏离圆柱形形状。可选地或附加地，偏离完美的圆柱形形状可能源于壳体制造过程的公差。然而，这种基本为圆柱形的侧壁应认为是圆柱形侧壁。

12、侧壁视为壳体的一部分，其从壳体下端的底壁延伸到壳体上端的环形突起。底壁可以与壳体的底端重合。因此，侧壁的长度视为从环形突起的下端到壳体的下端的部分的长度，底壁设置在所述部分处。环形突起本身不视为圆柱形侧壁的一部分，因此，根据侧壁的选定定义，环形突起在平行于圆柱形侧壁的纵向延伸的方向上的长度对侧壁的长度没有影响。

13、增强结构可以是侧壁的结构特征和/或材料特征，其将侧壁与不具有这种增强元件的侧壁区分开。特别地，与除了增强元件之外的侧壁的材料特性和结构特性相比，增强元件可以适于局部改变侧壁的刚度和/或硬度。增强结构可以包括侧壁的局部结构修改和/或局部材料修改。

14、侧壁的结构修改是应用于侧壁的结构特征，以改变原本规则或平坦的侧壁，例如在侧壁的表面和/或纹理和/或厚度方面。结构修改可以包括凹槽和/或突起和/或孔，和/或多于一个这些特征，和/或这些特征的组合。结构修改还可以包括特征的周期性排列，其中周期性可以与由超声波换能器发射和/或接收的超声波的设计波长相关或无关。

15、侧壁的材料修改可以是侧壁的材料特性的部分改变或局部改变。例如，材料修改可以涉及侧壁的一个或多个区域，就侧壁的材料而言，其成分与其他区域或侧壁的其余部分的成分不同。例如，材料修改可以包括由金属材料(例如合金)和/或聚合材料形成的侧壁的一个或多个区域，其中侧壁的其余部分可以由铝形成。

16、侧壁的弹性是指侧壁在自身的力量下扭转由外部影响引起的形状变化的能力。因此，弹性是衡量其柔性及其在机械张力下可逆变形的能力的度量。弹性可以由各自的弹性模量(也称为杨氏模量)来描述。侧壁的弹性越高，即其在机械张力下变形和依靠自身力量扭转变形的能力越高，其弹性模量就越高。换言之，具有高弹性的侧壁具有低刚度。弹性可以针对不同的振荡频率范围和不同类型的振荡而变化。如果没有另外明确说明，在所描述的实施例的上下文中，弹性应指由超声波换能器发射的超声波频率范围内的频率弹性。弹性的增强代表弹性的增加。因此，具有增强侧壁弹性的增强结构的侧壁比没有增强结构的侧壁具有更高的弹性。

17、超声波换能器的发射特性可以包括几个参数，其中调整发射特性可以包括只调整这些参数中的一个或一些。发射的超声波的角强度分布可以作为发射特性的参数之一，即总发射强度的哪一部分是在哪个水平和/或垂直发射角下发射的度量。另外的参数可以是在距超声波换能器的预定距离和预定方向上发射的超声波的振幅和/或频率和/或声压级(spl)。spl由下面的数学表达式(1)定义：

18、

19、其中p换能器是在距离超声波换能器预定距离处和在预定方向上的超声波的测量压力，并且p0是20μpa的参考压力。spl的值通常以db为单位。下文参考图11进一步提供关于确定超声波换能器的spl的方法的更多细节。

20、超声波换能器的灵敏度由下面的数学表达式(2)定义：

21、

22、其中s换能器表示超声波换能器的信号响应(可能以v/pa为单位)，s0表示1v/pa的参考信号响应。其他参数表示由超声波换能器产生的信号电压(v换能器)和撞击在超声波换能器上的超声波的压力(p声波)。下文参考图12进一步提供关于确定超声波换能器的灵敏度的方法的更多细节。

23、这些实施例提供的优点是，壳体的侧壁的弹性增强导致壳体的刚度降低。当受到振荡发生器施加的激励时，这又允许用作振动膜的底壁有更大的位移。由于允许底壁有更大的位移，所以对于超声波的发射可以获得更高的声压级(spl)。此外，由于侧壁的弹性增强允许底壁有更大的振动幅度，从而增加了由接收的超声波引起的可接收信号，因此对于接收和检测超声波，可以实现更高的灵敏度。

24、此外，这些实施例提供的优点在于结构修改，特别是可以以较低的制造成本提供至少一个环形凹槽。因此，spl和/或灵敏度的提高可以以较低的额外制造成本实现。特别地，通过在制造过程中增加一个或多个简单的机械加工步骤，可以简单地对常规壳体进行结构修改。

25、此外，一些实施例提供的优点在于增强结构，特别是结构修改可以应用于常规壳体和/或包括增强结构的壳体，结构修改和/或材料修改可以提供具有与常规壳体相应的尺寸。这允许在常规超声波换能器中使用这种壳体，而不需要对涉及其他部件的超声波换能器进行进一步修改。因此，一些实施例可以允许在常规、标准化的超声波换能器中使用壳体。因此，一些实施例允许以较少的努力和较低的成本改善超声波换能器的特性，因为仅仅对壳体进行低成本的修改就足够了，并且因为除了壳体之外，超声波换能器的其他部件不需要进行修改或替换。

26、一些实施例可以提供这样的优点，即增强结构可以适于增加超声波换能器的spl和/或灵敏度，而不必显著改变发射和/或接收的声波的角度分布。换言之，在保持发射的超声波的角度灵敏度和角度分布不变的情况下，可以实现超声波换能器在其spl和/或灵敏度方面的改进。特别地，这可以通过在侧壁的外表面或内表面设置至少一个环形凹槽和/或在侧壁的外表面和/或内表面设置几个环形凹槽来实现。

27、可选地，至少一个环形凹槽和底壁之间的距离对应于底壁和环形突起之间距离的至少15％。这使得侧壁的弹性得到了特别高的增强，因此，具有这种壳体的超声波传感器的spl和/或灵敏度得到了特别显著的改善。环形凹槽和底壁之间的距离是底壁面向侧壁的上侧和环形凹槽面向底壁的一侧之间的距离。同样，环形凹槽和环形突起之间的距离是环形突起的相应末端和环形凹槽的彼此面对的侧面之间的距离。

28、此外，至少一个环形凹槽和环形突起之间的距离可选地对应于底壁和环形突起之间的距离的至少10％(并且可选地为至少15％)。换言之，环形凹槽与侧壁的另一末端的距离也可以达到侧壁总长度的至少10％或15％。换言之，环形凹槽沿着圆柱形侧壁的纵向方向布置在侧壁的内部，延伸至侧壁长度的内部的80％、75％或70％。这使得侧壁的弹性得到了特别高的增强，因此，具有这种壳体的超声波传感器的spl和/或灵敏度得到了特别显著的改善。特别地，这可以确保环形凹槽定位在侧壁的一部分中，当安装在超声波换能器中时，所述部分没有由安装元件覆盖，从而确保侧壁的弹性的显著增强。

29、可选地，环形凹槽的深度对应于侧壁厚度的至少5％且不超过50％，并且可选地对应于侧壁厚度的至少10％且不超过20％。这允许显著增强侧壁的弹性，同时保持壳体足够的机械强度和鲁棒性。可以根据所需的弹性改变和/或材料和其余侧壁的刚性或稳定性来适当选择凹槽相对于侧壁厚度的相对深度。可选地，选择凹槽的深度，以保持侧壁具有足够的强度来抵抗在壳体和超声波换能器的预期使用期间预期的机械影响。

30、可选地，环形凹槽的宽度对应于底壁和环形突起之间距离的至少5％且不超过70％，且可选地对应于底壁和环形突起之间距离的至少20％且不超过50％。这允许显著增强侧壁的弹性，同时保持壳体足够的机械强度和鲁棒性。此外，这可以允许将结构修改的至少一个环形凹槽布置在侧壁的一部分中，当安装在超声波换能器中时，所述环形凹槽从安装元件突出，从而确保侧壁的弹性的显著增强。

31、在一些可选实施例中，底壁和侧壁形成为单件。特别地，壳体可以形成为具有底壁和从底壁延伸的圆柱形侧壁的杯形单件。壳体可以例如由单片铝提供，并且可以可选地通过深冲压制造。侧壁可以可选地具有1mm的厚度。在上端，圆柱形侧壁可以呈现从侧壁的外表面和/或内表面突出的环形突起。环形突起也可以与侧壁和底壁协同形成为单件，或者可以由附接到侧壁上的独立件提供。

32、结构修改包括至少一个布置在侧壁的外表面和/或内表面上的环形凹槽。外表面被认为是背离基本圆形侧壁的相对侧的侧壁表面。内表面被认为是面向基本圆形侧壁的相对侧的侧壁表面。对于杯形壳体，内表面被认为是(至少部分地)限制杯形壳体的内部容积的表面。如果凹槽周向围绕圆柱形侧壁，并且可选地形成没有起点或终点的环，则凹槽被认为是环形的。这种结构修改的优点在于可以高效制造。特别地，这种结构修改的制造可以基于加工或烧蚀侧壁的材料，这可以以低成本的方式制造。在内表面进行结构修改的应用可以提供避免外表面改变的优点。因此，在内表面具有环形凹槽的壳体不会影响壳体的外表面与超声波换能器的其他元件的相互作用。在侧壁的外表面提供环形凹槽可以提供更好的可及性，因此可以简化制造过程。

33、环形凹槽可以平行于底壁延伸。这可以提供的优点在于，即如果需要，可以实现底壁的振荡行为的旋转对称改变。这对于增强超声波换能器的可实现的spl和/或灵敏度可能是特别有益的，可选地不显著修改定向发射和/或角度接收行为。然而，根据其它实施例，环形凹槽可以相对于底壁以不平行的方式延伸，例如在相对于底壁倾斜预定角度的区域中延伸。这可以允许通过以各向异性的方式影响侧壁的弹性，从而影响壳体的弹性，来调整发射的超声波的角度(方向)强度分布。

34、可选地，结构修改包括在圆柱形侧壁的外表面和/或内表面的至少一个凹槽和/或至少一个突起，所述至少一个凹槽和/或至少一个突起在圆柱形侧壁的圆周的不超过270°的范围内延伸。因此，凹槽和/或突起可不适于形成封闭的环形结构(例如封闭环)，而是可以只延伸到侧壁的内圆周或外圆周的四分之三或更少。这可以允许调整发射的超声波的方向强度分布。

35、结构修改可选地包括至少一个凹槽和/或至少一个突起，所述至少一个突起基本垂直于底壁延伸。“基本垂直”是指凹槽和/或突起的延伸方向主要垂直于底壁和/或平行于圆柱形侧壁的中心轴线延伸。如果这种凹槽和/或突起垂直于底壁的至少一部分延伸，那么即使底壁的其他部分可能不垂直于凹槽和/或突起的延伸方向(例如如果底壁是弯曲的)，也认为这种凹槽和/或突起基本垂直于底壁延伸。通过这种结构修改，侧壁的弹性可以非常具体地在周向位置受到影响，在所述周向位置中设置有凹槽和/或突起。因此，所发射的超声波的角度强度分布或方向强度分布可以调整以强烈地偏向或避开特定的角度方向。

36、结构修改的凹槽和/或突起可选地可以具有矩形和/或三角形和/或多边形和/或圆形和/或椭圆形的横截面形状。不同的横截面形状可以适用于侧壁弹性的不同修改。不同的凹槽和/或突起可以具有不同的横截面形状。可选地或附加地，凹槽和/或突起可以沿着其纵向延伸具有变化的横截面形状。突起(特别是凹槽)的横截面形状的适当选择可以受到侧壁的厚度和/或凹槽的预期深度和/或用于制造凹槽和/或突出的预期方法的影响。凹槽和/或突起可以在凹槽和/或突起的一个或多个边缘处(即一个或多个倾斜边缘处)具有一个或多个倒角。倒角可能必然源于制造过程可实现的凹槽和/或突起的有限陡度，和/或可以有意地提供用于修改壳体侧壁的弹性。

37、壳体可以基本上由铝制成。壳体还可以包括材料修改，其包括比铝具有更高弹性的材料。换言之，不同的材料成分可以(局部地)添加到壳体的材料中，所述材料通常是铝，以通过诱导的材料修改来局部软化侧壁(即增加侧壁的弹性)。选择用于改变侧壁弹性的材料修改可以提供这样的益处：侧壁可以保持不变的形状，即圆柱形侧壁不呈现凹槽和/或突起，尽管当然根据一些实施例，一个或多个材料修改可以与一个或多个结构修改相结合。

38、可选地，壳体还包括增强底壁的弹性的结构修改和/或材料修改。底壁的结构修改例如在文献de102015015900b3中有所描述。将侧壁的结构修改和/或材料修改与底壁的结构修改和/或材料修改相结合可以提供这样的优点：可以进一步增加调节壳体弹性的灵活性和自由度，从而可以进一步增加壳体的振荡行为。

39、当安装在超声波换能器中时，壳体通常与安装元件接合，其中安装元件包围圆柱形侧壁的上部，并且其中壳体的侧壁和底壁的下部从安装元件突出。根据实施例，结构修改和/或材料修改至少部分地位于侧壁下部的外表面和/或内表面。换言之，结构修改和/或材料修改可以布置在侧壁的从安装元件突出的那部分中。这提供了这样的优点：与侧壁的上部被封闭从而至少部分地由安装元件所限制的结构修改和/或材料修改相比，此结构修改和/或材料修改对于侧壁的弹性的影响不受安装元件的影响或受安装元件的影响较小。此外，这可以提供这样的优点：对于侧壁的下部来说，在径向方向上改变侧壁的形状和/或延伸的自由度比其上部大，原因在于侧壁的下部不需要挤入和接合安装元件，否则由于侧壁的结构修改和/或材料修改，可能会出现结构不匹配的情况。

40、超声波换能器可以由elmos半导体se的524.09/17型超声波距离ic驱动。然而，也可以使用相同或不同制造商的其他类似ic。

41、根据可选实施例的增强结构的用途，所述增强结构包括结构修改，所述结构修改包括布置在侧壁的外表面和/或内表面处的至少一个环形凹槽。至少一个环形凹槽和底壁之间的距离对应于底壁和环形突起之间距离的至少10％。增强结构可选地适于保持超声波换能器的方向角度不变。

42、本领域技术人员应该理解，上述特征和以下说明书和附图中的特征不仅在明确公开的实施例和组合中公开，而且本发明的公开内容还包括其他技术上可行的组合以及独立的特征。在下文中，参照附图描述了本发明的几个优选实施例和本发明的具体实例，用于说明本发明，而不是将本发明限制于所描述的实施例中。