CN104998809A - 用于超声换能器的膜片以及超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种用于超声换能器(1)的膜片(7)，其尤其用于车辆，其中，所述膜片在内面(9)上具有换能器区段(8)，其中，所述换能器区段(8)具有结构化部(11)。

Description

用于超声换能器的膜片以及超声换能器

技术领域

本发明涉及一种用于超声换能器的膜片以及用于车辆的超声换能器。

背景技术

超声换能器在机动车中例如用于泊车辅助装置。泊车辅助装置例如包括控制装置和间距传感器，所述间距传感器设有这样的超声换能器。这样的超声换能器一般由膜片罐和设置在其中的换能器元件组成。膜片罐通常由金属材料——例如铝模制或铣削。机电换能器元件(例如压电元件)施加——例如粘接——并且接触到膜片罐的底部上。换能器元件激励膜片罐进行振动，由此以已知的方式发射超声波。入射的超声波同样可以激励膜片罐的振动，由此又在换能器元件中产生相应的电压信号。

间距传感器中的超声换能器现在自从20年以来用于在泊车过程中支持驾驶员。在此证实，实现了在不同温度范围中的应用。-40℃的温度在世界的一些领域中是绝对可行的。

在超声换能器的运行中和冷却期间通过剪应力加载换能器元件，该换能器元件激励膜片进行振动并且通常构造为压电陶瓷。位于压电陶瓷与膜片之间的粘接层在接合位置处机械地大幅受应力。尤其在接合过程之前已经受污染的膜片的情况下可能发生粘接层从膜片面脱落。后果就是传感器的失效。

由文献DE 10 2006 026 674 A1已知，压电陶瓷具有至少一个金属化表面，所述至少一个金属化表面具有至少一个另外的元件或者具有以下连接：该连接具有大于1800摄氏度的熔点。金属化表面的掺杂导致表面变形，该表面变形支持压电陶瓷与膜片的连接。颗粒形成金属化表面上的所谓的“防滑结构(Spikes)”。在膜片面与压电陶瓷之间的冲压导致掺杂材料入侵到膜片中以及掺杂材料的固定，同时构成膜片面与压电陶瓷之间的连接，由此改善粘附。

由文献DE 10 2011 080 125 A1已知声换能器电极的有对性的结构化。由此形成具有不同容积的空腔，其中，较大的容积导致膜片的低硬度并且由此得到较低的共振频率。

由文献DE 10 2005 061343 B4已知一种微系统技术构建的具有压电有效的换能器层的超声换能器，所述换能器层借助于接触层施加在衬底上，其中，在接触层与衬底之间设置匹配层用于与耦合介质的声学阻抗匹配。不仅压电有效的换能器层而且接触层可以结构化用于改善接触并且限定发射声的孔径。所述结构化例如可以通过光刻标记方法、蚀刻方法以及通过机械加工实现。

发明内容

本发明的目的在于，通过简单的方式改善粘接层在膜片上的粘附强度并且因此提高相应地构造的超声传感器的稳定性和寿命。根据本发明，这通过膜片的结构化实现。在此，通过相应的工艺——例如涂刷可以实现一种有针对性的结构化和/或统计上的结构化。

在此提出一种用于超声换能器的膜片，其尤其用于车辆，其中，所述膜片在内面上具有换能器区段。将换能器区段理解为膜片的如下区域，换能器元件例如压电陶瓷元件可固定到该区域上。所述换能器区段优选在中央构造在膜片上。但也可考虑如下实施方案，其中，换能器区段关于膜片面分散地构造。也可能的是，提供多个换能器区段。

根据本发明，换能器区段具有结构化部。通过所述结构化部实现了在换能器区段的区域中膜片表面的增大。由此实现了粘接层的粘附作用的改善，借助所述粘接层可以连接换能器元件与膜片。可以通过以下方式支持所述效应，凹槽的和/或突起部的侧壁优选相对于换能器区段的面法线倾斜地构造。

在另一优选实施方案中，结构化部包括凹槽和/或突起部，它们径向设置，也就是由换能器区段的中央区域向外朝膜片边缘的方向延伸。这样的结构化部可以在膜片制造期间或者后来通过相应的方法例如冲压或刮削来置入。可以设置任意多个凹槽或突起部，宽度也是可任意选择的。提高的粘附强度在此通过对于粘接层可用的表面的增大实现。

在另一优选实施方案中，结构化部包括构造为尤其同心的环的凹槽和/或突起部。换言之，构成所述结构化部的凹槽和/或突起部切向地设置。除了增大对于粘接层可用的表面之外，在此还出现如下效应，即通过在超声传感器运行中并且在温度变化情况下的应力而发生作用的力大多沿径向发生作用。在通过凹槽和/或突起部沿切向定向的结构化部的情况下，在粘接层与膜片之间发生作用的剪力在凹槽或突起部上部分地转换为法向力(参见图5b)。由此将法向力施加到结构化部的侧壁上，所述侧壁引起粘接层在膜片上的粘附强度的附加提高。

在另一优选实施方案中，所述结构化部不仅具有切向设置的而且具有径向设置的凹槽和/或突起部。

在本发明的一个替代的实施方案中，结构化部构造为换能器区段的经随机结构化的、局部或完全的粗糙结构。这样的粗糙结构例如可以通过涂刷方法或激光方法以简单的方式引入到膜片中。

在本发明的范围中同样可以考虑，在膜片的换能器区段上不仅设置经随机结构化的区域而且设置以凹槽和/或突起部形式的结构化部。

根据本发明的膜片优选构造为膜片罐的一部分，其中，膜片构成膜片罐的底部。这样的膜片罐通常应用在车辆中的超声传感器中，从而可以以有利的方式借助根据本发明的膜片使用已经存在的保持装置或壳体结构，或者可以没有困难地将根据本发明的膜片安装在通常的超声传感器中。

此外，本发明涉及一种用于制造如上所述构造的膜片的方法。在此设置，所述结构化部后来例如通过涂刷方法和/或刮削工具和/或冲压引入到膜片的换能器区段中。替代地或附加地，结构化部可以已经在膜片的制造中构造，例如在冲压由铝制成的膜片罐的过程中。此外，膜片可以替代地或附加地后续通过激光方法构造。

此外，本发明涉及一种超声换能器，其包括如上所述构造的膜片并且包括换能器元件，其中，换能器元件借助于在具有结构化部的换能器区段上的粘接层固定在膜片的内面上。换能器元件例如可以构造为压电陶瓷换能器元件。换能器元件将所施加的电压信号转换为振动，换能器元件将所述振动传递到膜片。膜片发出相应的声信号。入射的超声波同样可以激励膜片罐的振动，由此又在换能器元件中产生相应的电压信号。这样的超声换能器例如可以有利地用于超声传感器，其中，在经常的温度变化和大的温度波动的情况下换能器元件可靠地粘附在膜片上。

优选地，膜片包括铝作为重要组成部分。粘接层优选包括粘合剂，所述粘合剂厌氧硬化或者通过有针对性的激活硬化，换能器元件在膜片的经结构化的换能器区段上与粘接层连接。在此，热工艺可以支持硬化。典型的代表是环氧树脂。

附图说明

图1：示意性地示出根据本发明的超声换能器的一个实施例的截面，所述超声换能器具有膜片罐和压电陶瓷换能器元件；

图2：示意性地示出根据本发明构造的用于超声换能器的膜片的第一实施例的俯视图；

图3：示意性地示出根据本发明构造的用于超声换能器的膜片的第二实施例的俯视图；

图4：示意性地示出根据本发明构造的用于超声换能器的膜片的第三实施例的俯视图；

图5a)：示意性地示出根据现有技术的超声换能器的截面；

图5b)：示意地性示出根据本发明构造的超声换能器的截面。

具体实施方式

在图1中示意性地示出根据本发明的超声换能器的一个实施例的截面。膜片罐2优选以圆柱形的形状具有环绕的壁3连同位于下面的膜片7。此外，膜片罐2在其上侧处具有开口19，所述开口例如具有确定的轮廓。在膜片罐2的外侧处，在开口19附近设置加厚部5，所述加厚部例如设置用于与未示出的保持元件和/或解耦环连接。膜片罐2在该例子中是冲压的铝件。替代地，膜片罐2可以如由现有技术已知的那样也还具有附加的结构，例如以便应用特定地优化振动行为和共振频率。

膜片罐2的环绕的壁3包围一个内腔，在所述内腔内在膜片7的内侧9上借助于在膜片7的换能器区段8中的粘接层12施加换能器元件10、例如压电陶瓷换能器。换能器区段8同心地绕膜片罐2的中轴线设置并且由边缘区段包围。根据本发明，膜片7在换能器区段8的区域中具有结构化部11。通过结构化部11改善了粘接层在膜片7上的粘附。

在图2中示出根据本发明构造的膜片7的俯视图。该示图如此选择，使得膜片7的内面9可见。膜片7在该例子中构造为膜片罐2的底面。膜片7具有在中央设置的换能器区段8。换能器区段8限定为在膜片7的内面9上的这样的区域，例如构造为压电陶瓷的换能器元件可以施加到所述区域上，以便构建根据本发明的超声换能器。根据本发明，膜片7的换能器区段8具有结构化部11。结构化部11在该实施例中构造为八个凹槽13，它们星形地或者换言之从换能器区段8的中心区域径向地延伸。如在根据图2的示图中所标明的那样，凹槽13可以具有在其长度上保持不变或可变的宽度。该实施例的变型也可以设置或多于或少于八个径向设置的凹槽13。此外，凹槽13的长度和/或深度也可以变化。对于凹槽13附加地或替代地，径向结构化部11也可以具有突起部。

结构化部11优选具有侧壁15(参见图5b))，所述侧壁关于换能器区段的面法线n斜地也就是倾斜地构造。因此实现了在其上可以粘附粘接层的表面的附加的增大。

在图3中示出根据本发明构造的膜片7的一个替代的实施方案的俯视图。该示图如此选择，使得膜片7的内面9可见。膜片7在该例子中构造为膜片罐2的底面。膜片7具有在中央设置的换能器区段8。换能器区段8限定为在膜片7的内面9上的这样的区域，例如构造为压电陶瓷的换能器元件可以施加到所述区域上，以便构建根据本发明的超声换能器。根据本发明，膜片7的换能器区段8具有结构化部11。结构化部11在该实施例中构造为四个凹槽13，它们构造为同心环。换言之，所述凹槽切向地设置在换能器区段8上。该实施例的变型也可以设置或多于或少于四个圆形的同心设置的凹槽13。此外，凹槽13的长度和/或深度也可以变化。对于凹槽13附加地或替代地，切向结构化部11也可以具有突起部。切向结构化部的优点在于，在由温度引起的膨胀或收缩的情况下在膜片与粘接层之间出现的力主要沿径向方向发生作用。如果存在切向结构化部11，则在凹槽13处将在粘接层与膜片之间的剪力的一部分转换为法向力(参见图5b))。在该情况下作为压力发生作用的法向力附加地提高了膜片与粘接层之间的粘附强度并且从而总体上能够实现显著更高的应力，而不发生粘接层从膜片7的脱落。人们在此也谈及粘合剂与结构化部11的“抓握(Verkrallung)”。

图4示出根据本发明构造的膜片7的另一实施例。在此，膜片7的换能器区段8的结构化部11具有不仅具有切向凹槽13而且具有径向凹槽13，它们尤其具有斜的侧壁。因此可以有利地吸收径向发生作用的力，如结合图3和图5b)所述。此外，进一步增大换能器区段8的对于粘接层12可用的表面并且因此提高膜片7与粘接层12之间的粘附作用。

在图5b)中示意性地部分示出根据本发明的超声换能器1的截面。相比之下，图5a)示出按照现有技术的超声换能器1’。在两个图5a)和5b)中示出了膜片7，其具有在膜片7的内面9上的换能器区段8。在换能器区段8上设有粘接层12，所述粘接层连接压电换能器元件10与膜片7。在温度变化时基于膜片7、粘接层12以及换能器元件10的材料的不同膨胀系数出现剪力(通过箭头Fs、Fs’标明)，这可以导致粘接层12不再粘附在膜片7上。

此外，图5b)中的超声换能器1根据本发明具有换能器区段8的结构化部11。结构化部11在该例子中构造为具有斜的侧壁15的切向凹槽13，其中，将斜的理解为侧壁15相对于换能器区段8的面法线n的倾斜。在斜的侧壁15上剪力Fs、Fs’分解为其与侧壁15垂直(法向)和平行的分量。法向分量(通过箭头F_N、F_N’标明)施加压力作用到斜的侧壁15上并且因此引起，进一步提高膜片7与粘接层12之间的粘附强度。因此，总体上能够实现粘接层12与膜片7之间的连接的更高的机械应力，而不发生粘接层12从膜片7的脱落。

Claims (10)

1.一种用于超声换能器(1)的膜片(7)，其尤其用于车辆，其中，所述膜片在内面(9)上具有换能器区段(8)，其特征在于，所述换能器区段(8)具有结构化部(11)。

2.根据权利要求1所述的膜片(7)，其特征在于，所述结构化部(11)包括凹槽(13)和/或突起部，它们构造为尤其同心的环。

3.根据权利要求1或2所述的膜片(7)，其特征在于，所述结构化部(11)包括多个凹槽和/或突起部，它们径向地设置在所述换能器区段(8)上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的膜片(7)，其特征在于，所述结构化部(11)不仅具有径向结构而且具有切向结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的膜片(7)，其特征在于，所述结构化部(11)具有至少一个凹槽(13)和/或突起部，其中，所述凹槽(13)和/或突起部具有相对于所述换能器区段(8)的面法线(n)倾斜的侧壁(15)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的膜片(7)，其特征在于，所述结构化部(11)构造为所述换能器区段(8)的经随机结构化的、局部或完全的粗糙结构。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的膜片(7)，其特征在于，所述膜片(7)构造为膜片罐(2)的一部分，其中，所述膜片(7)构成所述膜片罐(2)的底部。

8.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的膜片(7)的方法，其特征在于，所述结构化部(11)通过涂刷方法和/或刮削工具和/或冲压和/或激光方法引入到所述换能器区段(8)中。

9.一种超声换能器(1)，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的膜片(7)并且包括换能器元件(10)，其中，所述换能器元件(10)借助于在具有所述结构化部(11)的换能器区段(8)上的粘接层(12)固定在所述膜片(7)的内面(9)上。

10.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，所述膜片(7)包括铝作为重要组成部分，而所述粘接层(12)包括环氧树脂。