AT17237U1

AT17237U1 - Ultraschall-Wandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers

Info

Publication number: AT17237U1
Application number: ATGM50182/2019U
Authority: AT
Inventors: Gebhart Dr Michael; Kreuzbichler Martina; Hedhili Amira; Lukan Peter
Original assignee: Tdk Electronics Ag
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-10-15
Also published as: DE102019115032A1

Abstract

Es wird ein Ultraschall-Wandler (1) beschrieben, der ein Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und eine Wand (4) aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe (5) ist innerhalb des Behältnisses (2) auf dem Boden (3), der auch als Membran dient, angeordnet. Außerdem weist der Ultraschall-Wandler (1) einen Deckel (6) auf, der das Behältnis (2) verschließt. In den Deckel (6) ist eine Elektronik (7) integriert, die die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.

Description

Beschreibung

ULTRASCHALL-WANDLER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ULTRASCHALLWANDLERS

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler und ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers.

[0002] Ultraschall-Wandler werden regelmäßig zur Distanzmessung in unterschiedlichsten Sachbereichen benutzt. Im Sendebetrieb wird bei der Distanzmessung ein Ultraschallsignal als Burst vom Ultraschall-Wandler ausgesandt, der, nachdem er auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis trifft, teilweise wieder zurück reflektiert wird. Im Empfangsbetrieb wird dieser zurückreflektierte Puls detektiert, wodurch eine Laufzeit ermittelt werden kann. Da die Ultraschallwellen sich in Luft aber auch in Wasser mit bekannten Schallgeschwindigkeiten ausbreiten, kann mit Hilfe der Laufzeit die Distanz zu dem reflektieren Objekt berechnet werden.

[0003] Diese Technik ist in der Schifffahrt beispielsweise seit Langem als Sonar oder Echolot bekannt. Als Sonar wird eine Distanzmessung in vorwiegend horizontaler Richtung, also beispielsweise zu anderen Schiffen, und als Echolot eine Distanzmessung in vorwiegend vertikaler Richtung, etwa zur Messung der Wassertiefe oder der Meeresgrund-Topografie, genannt. Neuere Autos setzten die Distanzmessung mittels Ultraschall beispielsweise bei Einpark-Assistenzsystemen ein, die dem Fahrer bei einem geringen Abstand zu einem nahen Objekt ein Warnsignal mitteilen. Die Ultraschall-Wandler sind meist in den Stoßstangen untergebracht, die relativ viel Raum für den Einbau eines Ultraschall-Wandlers samt einem Gehäuse und der benötigten Elektronik bieten.

[0004] Neue technologische Entwicklungen und Anwendungen, wie beispielsweise Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter und autonome Roboter im Allgemeinen stellen neue Herausforderungen an einen Ultraschall-Wandler, der zur Distanzmessung geeignet ist.

[0005] Ein Ultraschall-Wandler, der kompakter und robuster ist, ist daher wünschenswert.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschall-Wandler bereitzustellen, der kompakter und robuster ist.

[0007] Die vorliegende Aufgabe wird durch den Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

[0008] Es wird ein Ultraschall-Wandler beschrieben, der ein Behältnis mit einer Öffnung, einem Boden und Wänden aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe ist innerhalb des Behältnisses auf dem Boden, der auch als Membran dient, angeordnet. Außerdem weist der Ultraschall-Wandler einen Deckel auf, der das Behältnis verschließt. In den Deckel ist eine Elektronik integriert, die die piezoelektrische Scheibe elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe zu steuern und auszulesen.

[0009] Die Integration der Elektronik im Deckel macht den Ultraschall-Wandler äußerst kompakt, so dass er in Anwendungen, die wenig Raum für den Ultraschall-Wandler bieten, eingesetzt werden kann. Immer kleiner werdende Roboter, wie Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder Roboter die beispielsweise in der Logistik oder in der industriellen Fertigung eingesetzt werden, bieten wenig Raum für einzelne Bauteile, weswegen es einen starken Bedarf nach kleineren kompakteren Sensoren und insbesondere für Ultraschall-Wandler gibt. Mit der Integration der Elektronik im Deckel ist es, im Gegensatz zu üblichen Ultraschall-Wandlern, nicht nötig, den Ultraschall-Wandler in ein externes Gehäuse zu bauen, in dem die Elektronik verbaut ist. Indem die Funktion eines schallgebenden Behältnisses mit der Funktion eines Sensor-Gehäuses vereint wird, kann der Ultraschall-Wandler der vorliegenden Erfindung konträr zu üblichen UltraschallWandlern, bei denen das schallgebende Behältnis in das Sensor-Gehäuse eingebaut wird, sehr viel kompakter ausgeführt werden. Darüber hinaus können so Kosten bei der Produktion eingespart werden, da nicht zusätzliche elektrische und mechanische Schnittstellen benötigt werden

und auf den Zusammenbau von Ultraschall-Wandler und Gehäuse verzichtet werden kann.

[0010] Im Sendebetrieb kann die piezoelektrische Scheibe, über eine von der Elektronik angelegten Wechselspannung, zu einer impulsartigen Schwingung mit einer Frequenz von etwa 50 kHz bis 100 kHz und einer vorbestimmten Anzahl von Perioden angeregt werden. Es kann sich beispielsweise um 8 Perioden handeln. Da die piezoelektrische Scheibe am Boden fixiert sein kann, kann der Boden als Membran mit schwingen und kann einen Ultraschallkegel aussenden. Trifft der Ultraschallkegel auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis, kann er teilweise wieder zurück reflektiert werden. Der reflektierte Schallimpuls kann wiederum auf den Boden bzw. Membran treffen und kann sowohl im Boden als auch in der piezoelektrischen Scheibe eine mechanische Auslenkung mit der gleichen Frequenz wie der ausgesandte Schallimpuls induzieren. Die mechanische Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe kann eine Spannungsänderung an den angelegten Elektroden hervorrufen, die wiederum von der Elektronik ausgelesen werden kann. Aus der ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann die Distanz zu dem reflektierenden Objekt berechnet werden.

[0011] Zwischen dem Boden, auf dem die piezoelektrische Scheibe angeordnet ist, und dem Deckel kann ein Dämpfungselement angeordnet sein, das das gesamte Behältnis ausfüllt. Das Dämpfungselement kann in erster Linie zur Dämpfung der Ultraschallschwingungen von der piezoelektrischen Scheibe aus in Richtung des Deckels dienen, kann das Behältnis jedoch auch noch zusätzlich stabilisieren. Die wichtigste Materialeigenschaft für das Dämpfungselement ist die Dämpfungskonstante, die bei typischen Ultraschallfrequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz möglichst groß sein sollte. Geeignete Materialien sind Gummis oder Schaumstoffe. Insbesondere Schaumstoffe aus Kunstoffen, wie etwa Silikon, die Gaseinschlüsse aufweisen sind für das Dämpfungselement geeignet. Diese können beispielsweise flüssig in das Behältnis gegeben werden, wo das Silikon aushärtet und das Behältnis formschlüssig ausfüllt.

[0012] Die Anordnung eines elastischen Ringes, der ebenfalls aus Silikon sein kann, zwischen dem Dämpfungselement und dem Deckel kann dabei helfen, eine mögliche Übertragung von Vibrationen vom Behältnis an den Deckel zu verhindern. Uberdies kann der elastische Ring zur Abdichtung zwischen dem Deckel und dem Behältnis dienen, so dass keine Feuchtigkeit oder Staub in das Behältnis gelangen kann.

[0013] Der Deckel kann mit einem wiederverschließbaren Befestigungsmechanismus im Behältnis fixiert sein. Somit ist es möglich, jederzeit an die Unterseite des Deckels zu gelangen, um beispielsweise elektrische Komponenten oder Kontaktierungen zu prüfen oder zu reparieren. Ist der Deckel knapp gegenüber dem Querschnitt des Behältnisses ausgestaltet, kann es vorteilhaft sein, einen elastischen Ring unter dem Deckel zu positionieren, um beim Öffnen des Deckels ein wenig Freiraum zu gewinnen. Beim Befestigungsmechanismus kann es sich ausdrücklich um einen Einschnapp-Mechanismus handeln, der den Deckel an zumindest einer Position lösbar fixieren kann.

[0014] Ferner kann der Deckel mindestens zwei Ausnehmungen aufweisen. Diese können beispielsweise auf entgegengesetzten Seiten des Deckels angeordnet sein. Das Behältnis kann durch eine Ausnehmung auch im geschlossenen Zustand, d.h. wenn der das Behältnis durch den Deckel verschlossen ist, mit einem flüssigen Füllmaterial befüllt werden. Somit kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Füllmaterial und dem Deckel gebildet werden und Lufteinschlüsse dazwischen vermieden werden, da das flüssige Füllmaterial das Behältnis komplett ausfüllt. Eine zweite Ausnehmung begünstigt beim Füllprozess einen stetigen Druckausgleich im Behältnis. Somit werden Blasen, die beim Füllprozess sonst auf Grund von Lufteinschlüssen leicht entstehen können, vermieden und es bildet sich ein homogener formschlüssiger Füllstoff im Behältnis.

[0015] Zumindest in einer der Ausnehmungen kann ein Durchgang für einen Draht gebildet sein, wobei die piezoelektrische Scheibe mit der Elektronik durch den Draht elektrisch verbunden sein kann. Durch den Durchgang kann der Draht mechanisch stabilisiert werden und eine robuste elektrische Verbindung hergestellt werden. Zusätzlich kann das Füllmaterial so in das Behältnis gefüllt werden, dass es den Durchgang und die Kontaktierung zwischen Draht und Elektronik

bedeckt und die elektrische Verbindung selbst nach dem Aushärten vor äußeren Einflüssen schützt.

[0016] Weiterhin kann das Behältnis eine Stufe entlang der Öffnung in einer Wand aufweisen. Diese Stufe dient dem Deckel als Auflagefläche, so dass der Deckel einfach in dem Behältnis, ohne der Gefahr eines Abrutschen des Deckels in das Behältnis, angeordnet werden kann. Um den Deckel fest und gedämpft mit dem Behältnis zu verbinden, kann es vorteilhaft sein, eine Silikon- oder Schaumstoffschicht zwischen Deckel und Behältnis anzuordnen.

[0017] Die Elektronik kann eine digitale I/O Schnittstelle auf einer Außenseite des Deckels aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die digitale l/O Schnittstelle ebenfalls die elektrische Versorgung des Ultraschall-Wandlers umsetzen. Indem der Anschluss direkt auf dem Deckel angeordnet wird, kann der Ultraschall-Wandler kompakt gehalten werden. Außerdem kann der Ultraschall-Wandler so unvermittelt kontaktiert werden und braucht keine weiteren elektrischen Anschlüsse. Die digitale l/O Schnittstelle eignet sich besonders zur Kommunikation, um beispielsweise Messsignale oder Warnsignale nach außen zu geben, da sie im Gegensatz zu analogen Schnittstellen eine höhere Störfestigkeit besitzt und daher auch in einer von Störsignalen belasteten Umgebung fehlerfrei funktioniert.

[0018] Ferner kann der Boden dünner als 1 mm sein. Der Boden, der ebenfalls als Membran dient, muss einerseits elastisch genug sein, um den Auslenkbewegungen der piezoelektrischen Scheibe zu folgen, andererseits sollte er stabil genug sein, um äußeren Einflüssen, wie etwa Wasserstrahlen zur Reinigung, stand zuhalten. Eine Stärke vom Boden von weniger als 1 mm und mehr als 0,2 mm haben sich als vorteilhaft erwiesen. Die Stärke des Bodens, zusammen mit dem Durchmesser, kann auch wesentlich die Resonanzfrequenz bestimmen, an welcher das Bauteil vorteilhaft zur Abgabe und Aufnahme von Ultraschall betrieben werden kann.

[0019] Die Stärke der Wände kann mehr als das 1,5-fache der Stärke des Bodens betragen und ist bevorzugt dicker als das 3-fache der Stärke des Bodens. Es hat sich gezeigt, dass solche Wandstärken geeignet sind, die Übertragung von Vibrationen des Bodens bzw. der Membran zu einer Fläche die parallel zum Boden verläuft, wie etwa dem Deckel oder einem Uberstand des Behältnisses, der zur Halterung des Ultraschall-Wandlers benutzt werden kann, zu unterdrücken. Vibrationen, die über die Halterung an eine angrenzende Befestigung, die zur Applikation gehört, übertagen werden, könnten anschließend reflektiert werden und somit im Ultraschall-Wandler als Phantomsignal fälschlicherweise als ein Messsignal erfasst werden. Wird die Wandstärke so gewählt, dass sie mindestens das 1,5-fache der Stärke der Membran beträgt, kann einer Übertragung von Vibrationen vom Boden an andere Teile des Behältnisses unterbunden werden. Der Boden besitzt gewisse Eigenmoden, die mit in einer Eigenfrequenz schwingen und unter anderem durch die Stärke des Bodens bestimmt werden. Indem die Wand mindestens die 1,5-fache Stärke des Bodens besitzen kann, kann eine Übertragung der Schwingungsmoden an andere Bereiche des Behältnisses unterbunden werden. Die Wandstärke sollte allerdings nicht mehr als das 20-fache, bevorzugt nicht mehr als das 10-fache, der Stärke des Bodens betragen, da das Bauteil sonst zu schwer werden kann und eine kleine Ausführung des Bauteils schwerer zu realisieren ist.

[0020] Weiterhin kann das Behältnis dazu ausgelegt sein, eine Ebene der Schallausbreitungsrichtung zu bevorzugen. Indem der sich ausbreitende Schallkegel eingeengt wird, kann die Genauigkeit der Distanzmessung erhöht werden, da die Propagation der Schallwelle in eine Raumrichtung ausgeschlossen werden kann. Im einfachsten Fall wird das Behältnis dazu oval ausgebildet. Andere Formen des Behältnisses können ebenfalls dazu ausgestaltet sein, eine Ausbreitung des Schalls in einer Ebene zu bevorzugen.

[0021] Das Behältnis kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Ein Behältnis aus einem elektrisch leitenden Material, welches mit der elektrischen Masse des Sensors verbunden ist, erhöht die elektromagnetische Verträglichkeit, womit der Ultraschall-Wandler nicht ungewollt durch andere elektrische Geräte in der Umgebung gestört werden kann. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Erdung des Behältnisses über den optionalen digitalen l/O Anschluss realisiert sein. Insbesondere in kleineren mobilen Anwendungen, wie etwa Drohnen oder

autonomen Robotern, können beispielsweise viele Elektromotoren verbaut sein, die elektromagnetische Störsignale aussenden können. Wird das Behältnis aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, können die piezoelektrischen Scheibe und eine im Inneren des Behältnisses angeordneten Elektronik gegenüber äußeren Störsignalen abgeschirmt werden.

[0022] Geeignete Materialien können Metalle wie Al, Cu, Sn, Fe, Stahl aber auch Legierungen sein. Da der Boden des Behältnisses auch als Membran wirkt, ist es vorteilhaft ein Material zu benutzen, das eine relativ hohe Flexibilität aufweist. Daher sind Metalle mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wie Al oder Sn besonders bevorzugt.

[0023] Weiterhin kann die innere Oberfläche das Behältnis partiell aufgeraut und/oder geglättet sein. Die Oberfläche im Inneren des Behältnisses aufzurauen, hat zur Folge, dass Materialien besser an dieser Oberfläche haften, aber dafür auch der Ultraschall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Eine Glättung der Oberfläche mindert eine Haftung an der Oberfläche, streut jedoch den Ultraschall nicht. Aus diesem Grunde kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die Oberfläche des Bodens angrenzend zur piezoelektrischen Scheibe aufzurauen damit diese ebendort besser haftet. Der Rest der Fläche des Bodens im Inneren des Behältnisses kann beispielsweise geglättet sein, um die Haftung eines Dämpfungselements an dieser Stelle zu mindern und somit einer Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe weniger zu behindern. Ergänzend können die Innenseiten der Wände auch aufgeraut sein, womit der Schall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Zur Aufrauhung kann etwa ein Sandstrahl-, oder Atzverfahren und zur Glättung ein Schleif‚ oder Beschichtungsverfahren verwendet werden.

[0024] Ein Teil des Bodens oder einer Fläche des Behältnisses, die parallel zum Boden verläuft, kann eine dickere Stärke aufweisen als die zur piezoelektrischen Scheibe angrenzende Bodenfläche, die als Membran genutzt wird. Die verstärkten Flächen stabilisieren das Behältnis und sind dafür geeignet als Auflageflächen an einer Befestigung, einem Gerüst oder einem Tragwerk in einer Anwendung genutzt zu werden.

[0025] Die verstärkten Flächen können auf einer äußeren Oberfläche ein adhäsives Material aufweisen. Somit ist ein unproblematischer Einbau des Ultraschall-Wandlers in eine Anwendung gewährleistet. Der Ultraschall-Wandler muss dafür lediglich an die vorgesehene Stelle positioniert werden, so dass das adhäsive Material an der Befestigung haftet. Es ist wünschenswert, dass das adhäsive Material aus einem schaumartigen weichen Material mit Gaseinschlüssen besteht, das Vibrationen vom Ultraschall-Wandler zu der Befestigung dämpft.

[0026] Auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses können schalldämpfende Komponenten angeordnet sein. Die schalldgämpfenden Komponenten dämpfen den Ultraschall und Vibrationen bezüglich einer unerwünschten Propagationsrichtung. Vorzugsweise sind die schalldämpfenden Komponenten aus einem schaumartigen Material. Eine Ausführung als elektrisch leitfähiges Material ist wünschenswert, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandlers nicht zu mindern, sondern, im Gegenteil, noch zu erhöhen.

[0027] In einer Ausführungsform ist der Deckel eine Leiterplatte. Auf diese Weise kann die Elektronik leicht in den Deckel integriert werden und alle benötigten elektrischen Bauteile können ohne weiteres elektrisch kontaktiert werden.

[0028] Zusätzlich kann, da die Leiterbahnen moduliert werden können, die Anordnung von elektrischen Bauteilen auf der Leiterbahn verändert werden, so dass die elektrischen Komponenten platzsparend oder geometrisch vorteilhaft angeordnet werden können.

[0029] Wird eine Leiterplatte als Deckel verwendet, kann diese flexibel sein. Somit kann Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe zum Deckel propagiert, gedämpft werden und sowohl Phantomsignale als auch die Übertragung von Vibrationen unterdrückt werden. Außerdem kann der Einbau einer flexiblen Leiterplatte als Deckel gegenüber einer starren Leiterplatte leichter ausführbar sein.

[0030] Die Leiterplatte kann auf der Außenseite elektrische Massefläche aufweisen, die geerdet sind. Somit kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandler erhöht werden.

Zugleich können die auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten sowie die Leiterplatte selbst vor gefährlichen Spannungsspitzen geschützt werden.

[0031] Weiterhin kann die Leiterplatte, die als Deckel genutzt wird, in eine plastische Masse eingegossen sein. Bevorzugt ist die plastische Masse auch nach dem Aushärten flexibel, um Vibrationen zu dämpfen. Die plastische Masse füllt vorhandene Ritzen oder Löcher in der Leiterplatte sowie Spalte zwischen Leiterplatte und Behältnis. Demnach wird das Behältnis luftdicht versiegelt und die Ausbreitung der Ultraschallwellen in diese Richtung kann unterdrückt werden. Darüber hinaus kann so ein dichter Verschluss mit einem Deckel realisiert werden, der keinen Berührungspunkt zu den Wänden des Behältnisses hat. Somit werden Ubertragungen von Vibrationen zwischen Deckel und Wänden unterdrückt. Als plastische Masse kann etwa ein Silikon oder ein weiches Harz benutzt werden.

[0032] Die Leiterplatte kann elektrische Komponenten aufweisen, die auf einer Fläche der Leiterplatte, die zur piezoelektrischen Scheibe zeigt, angeordnet sind. Somit sind die elektrischen Komponenten sowohl vor möglichen Schaden auf Grund von mechanischen oder chemischen Umwelteinflüssen als auch vor äußeren elektromagnetischen Störsignalen geschützt. Zusätzlich kann durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht unebene Oberfläche des Deckels der Ultraschall gestreut werden und eine ungewünschte Propagation des Ultraschalls vermindert werden.

[0033] Die Leiterplatte kann eine integrierte Schaltung mit einer Ladungspumpe aufweisen. Die piezoelektrische Scheibe benötigt für den Betrieb meist eine höhere Spannung als die häufig vorgegebene Versorgungsspannung von 5 bis 12 V. In diesem Fall ist es nötig, aus der niedrigen Versorgungsspannung eine höherwertige Betriebsspannung für die piezoelektrische Scheibe zu generieren. Da Transformatoren eine große Bauform aufweisen, ist es vorteilhaft die höhere Betriebsspannung für die piezoelektrische Scheibe mit Hilfe einer Ladungspumpe, die in einer integrierten Schaltung enthalten ist, aus einer niedrigen Versorgungsspannung zu erzeugen.

[0034] Ferner kann die Leiterplatte eine analoge Masseleitung und eine digitale Masseleitung aufweisen, wobei die analoge Masseleitung und die digitale Masseleitung so ausgestaltet sein können, dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der digitalen Masseleitung und der analogen Masseleitung unterdrückt werden kann. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich schnelle Oszillationen, die sich beispielsweise auf der digitalen Masseleitung auf Grund der schnellen Schaltzeiten der integrierten Schaltung bilden können, parasitär auf die analoge Masseleitung ausbreiten und die Distanzmessung stören. Ladungspumpen neigen insbesondere dazu, eine geringe Offset-Spannung auf der Masseleitung zu generieren. Durch eine Ausgestaltung der digitalen und analogen Masseleitung, so dass sich diese gegenseitig nicht beeinflussen, wird eine Störung der Distanzmessung unterdrückt.

[0035] Die analoge Masseleitung und die digitale Masseleitung können auf entgegengesetzten Seiten der integrierten Schaltung angeordnet sein. Somit ist bereits eine räumliche Distanz zwischen der digitalen und der analogen Masseleitung vorgegeben, so dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Masseleitungen vermieden wird und keine ungewollten Störungen auftreten.

[0036] Ferner kann der Ultraschall-Wandler einen Temperatursensor aufweisen. Die Schallgeschwindigkeit in Medien ist immer temperaturabhängig, wodurch auch die Distanzmessung des Ultraschall-Wandlers von der Umgebungstemperatur abhängt. Die lineare Korrekturformel für die Schallgeschwindigkeit in Luft kann Cair = (331,3+0, 606*v)m/s lauten, wobei v die Lufttemperatur in °C ist. Durch eine Messung der Lufttemperatur kann dieser Korrekturterm auf die gemessene Distanz angewandt werden, um eine korrekte Distanzmessung zu ermöglichen. Die Integration eines Temperatursensors in den Ultraschall-Wandler kann dabei helfen, innerhalb eines breiten Temperaturbereichs korrekte Distanzmessung zu realisieren.

[0037] Der Temperatursensor kann beispielweise ein NTC-Sensor oder ein PTC-Sensor aufweisen. Diese weisen eine hohe Messgenauigkeit und Robustheit bei gleichzeitig niedrigen Energieverbrauch auf. Darüber hinaus können NTC- und PTC-Sensor leicht in elektrischen Schaltungen

eingebunden werden, womit sie äußerst geeignet für einen Einsatz in dem Ultraschallsensor nach der vorliegenden Erfindung sind.

[0038] Es kann vorteilhaft sein, den Temperatursensor auf einer Innenseite des Behältnisses anzuordnen. Im Inneren des Behältnisses ist der Temperatursensor vor äußeren Gefahren geschützt. Eine direkte Anordnung an dem Behältnis führt dazu, dass der Temperatursensor einen guten thermischen Kontakt zu der Umgebung hat, da die Wandstärke des Behältnis gering ist und, falls es aus einem Metall besteht, das Behältnis auch hervorragende Wärmeleitfähigkeit besitzt. In einer besonders bevorzugten Anordnung kann der Temperatursensor auf dem Boden des Behältnisses aufliegen. An dieser Stelle ist die Wandstärke besonders gering und daher ein besonders guter thermischer Kontakt vom Temperatursensor zur Umgebung gegeben. Außerdem wird von der im Deckel integrierten Elektronik unweigerlich Wärme produziert, die eine Temperaturmessung verfälschen kann. Daher kann eine Integration des Sensorchips im Deckel unvorteilhaft sein, da die Temperaturmessung verfälscht werden kann. Indem der Temperatursensor eine möglichst große Distanz zum Deckel hat, da er auf den Boden angeordnet wird, wird eine genauere Temperaturmessung ermöglicht.

[0039] In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Scheibe als Temperatursensor verwendet werden. Die piezoelektrische Scheibe besteht aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und somit eine Kapazität bildet. Abhängig von der Umgebungstemperatur dehnt sich das piezoelektrische Material aus oder zieht sich zusammen, womit auch der Abstand der Elektroden zueinander und damit auch die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe verändert werden. Indem die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe mit Hilfe der im Deckel integrierten Elektronik vermessen wird, kann aus der Kapazität auf die Temperatur geschlossen werden und die Distanzmessung des Ultraschall-Wandler auf Basis der Umgebungstemperatur korrigiert werden.

[0040] Der Ultraschall-Wandler kann dazu ausgestaltet sein, eine Temperaturabhängigkeit von gemessenen Distanzen auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auf Basis von Messwerten des Temperatursensors auszugleichen. Durch eine Korrektur der gemessen Distanzen durch einen Term, der von der Umgebungstemperatur abhängt, kann der Ultraschall-Wandler in einem weiten Temperaturbereich, der beispielsweise von - 40 bis 85 °C reichen kann, präzise Messergebnisse bereitstellen.

[0041] Der Ultraschall-Wandler nach der vorliegenden Erfindung kann in einer Anordnung integriert sein, die eine Befestigung für eine zugehörige Anwendung aufweist, wobei der Ultraschallsensor ohne weiteres Gehäuse direkt an der Befestigung angeordnet sein kann. Eine solche Anordnung benötigt kein weiteres Gehäuse für den Ultraschall-Wandler, so dass Platz eingespart wird und der Ultraschall-Wandler auch in einer gedrängten Umgebung eingesetzt werden kann. Das ermöglicht den Gebrauch des Ultraschall-Wandlers in Applikationen, die üblichen Ultraschall-Wandler verwehrt bleiben, wie etwa kleinen Drohnen oder autonomen Robotern.

[0042] Ein Gerät kann einen Ultraschall-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei das Gerät dazu ausgestaltet sein kann, auf Basis eines von dem Ultraschall-Wandler ermittelten Signals eine Distanz des Geräts zu einem Objekt zu messen. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um autonome Roboter, wie selbstfahrende Roboter in der Lagerlogistik oder in der industriellen Fertigung, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder autonome fliegende Objekte wie Drohnen handeln. Der Ultraschall-Wandler kann aber auch in Geräten wie Autos, Ladestationen in der Elektromobilität oder Laptops sowie Steuergeräte mit Monitor als Schnittstelle zum Bediener eingesetzt werden.

[0043] Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers. Dabei kann es sich beispielsweise um den oben beschriebenen Ultraschall-Wandler handeln.

[0044] Das Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers weist die folgenden Schritte auf:

- Herstellen eines Behältnis mit einer Öffnung, einem Boden und einer Wand in einem Fließpressverfahren;

- Befestigen einer piezoelektrische Scheibe auf dem Boden des Behältnisses; - Verschließen des Behältnisses mit einem Deckel, der eine integrierte Elektronik aufweist,

wobei die Elektronik die piezoelektrische Scheibe elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist, die piezoelektrische Scheibe zu steuern und auszulesen.

[0045] Der Deckel kann insbesondere eine Platine sein.

[0046] Vor dem Verschließen des Behältnisses kann ein erster Silikonring auf einer vom Boden wegweisenden Auflagefläche des Behältnisses angeordnet und ausgehärtet werden, wobei bei dem Schritt des Verschließens des Behältnisses der Deckel auf dem ersten Silikonring angeordnet wird. Alternativ zu dem ersten Silikonring kann eine Schaumstoffschicht verwendet werden.

[0047] Ein zweiter Silikonring kann auf der Seite des Deckels angeordnet werden, die vom Boden wegweist, wobei der Deckel zwischen dem ersten und dem zweiten Silikonring fixiert wird.

[0048] Die Elektronik kann mit der piezoelektrischen Scheibe über einen Draht elektrisch kontaktiert werden, der mit der Elektronik verlötet ist. Vorzugsweise kann die Elektronik über zwei Drähte mit der piezoelektrischen Scheibe kontaktiert sein, wobei jeder der beiden Drähte an die Elektronik angelötet ist.

[0049] Der Deckel kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, in der der Draht angeordnet wird, wobei in dem Schritt des Verschließens des Behältnisses der Deckel durch eine Translationsbewegung auf das Behältnis aufgeschoben wird und anschließend der Draht mit der Elektronik verlötet wird. Für jeden Draht kann der Deckel eine Ausnehmung aufweisen.

[0050] Ein flüssiges Füllmaterial kann in einen Hohlraum zwischen dem Deckel und dem Boden eingefüllt werden, wobei das flüssige Füllmaterial zu einem Dämpfungselement ausgehärtet wird. Der Deckel kann eine weitere Ausnehmung aufweisen, durch die das flüssige Füllmaterial eingefüllt wird. Dabei kann so viel flüssiges Füllmaterial eingefüllt werden, dass dieses aus den Ausnehmungen heraustritt, in denen die Drähte angeordnet sind. Das heraustretende Füllmaterial überzieht und schützt nach seinem Aushärten die Kontaktstelle des jeweiligen Drahts mit dem Deckel.

[0051] Um Farbe oder Eigenschaften des Ultraschall-Wandlers an Kundenwünsche anzupassen, kann das Behältnis, insbesondere an der Seite des Bodens, die vom Deckel wegweist, geeignet behandelt werden, beispielsweise beschichtet, eloxiert oder lackiert werden. Zusätzlich kann der Deckel mit einer Schutzschicht beschichtet werden oder mit einer Folie oder einem weiteren Deckel gekapselt werden.

[0052] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher beschrieben.

[0053] Figur 1 zeigt eine Explosionsansicht eines Ultraschall-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung.

[0054] Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite eines Deckels nach der vorliegenden Erfindung.

[0055] Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines zusammengefügten Ultraschall-Wandler.

[0056] Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Behältnisses, in dem ein Temperatursensor angeordnet ist.

[0057] In Figur 1 wird eine Explosionsansicht eines Ultraschall-Wandlers 1 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Behältnis 2, welches eine Öffnung, einen Boden 3 und kreisrunde Wände aufweist, ist aus zwei zylinderförmigen Teilen, einem unteren und einem oberen, aufgebaut. Der untere Teil besitzt einen kleineren Radius als der obere Teil und ist an einer unteren runden Grundfläche mit dem Boden 3 verschlossen, der auch als Membran dient. Nach oben hin ist das untere Teil offen. Das gesamte Behältnis 2 ist einstückig und der obere Teil ist somit mit dem unteren Teil über eine Verbindungsfläche, die parallel zum Boden 3 verläuft, verbunden. Der obere Teil ist ebenfalls nach oben geöffnet.

[0058] Im Inneren des Behältnisses 2 wird eine piezoelektrische Scheibe 5 mit einer Klebeschicht 13 oder einer Klebescheibe am Boden 3 fixiert. Darüber ist ein Dämpfungselement 8 angeordnet, das an die Form des Behältnisses 2 angepasst ist und dieses komplett ausfüllt. Uber Drähte 14 wird die piezoelektrische Scheibe 5 mit einer Elektronik 7 verbunden. Diese ist auf einer Seite eines Deckels 6 angeordnet, die nach innen zeigt. Der Deckel 6 selbst ist eine Leiterplatte 12 und weist auf einer Seite, die nach außen zeigt, eine digitale l/O Schnittstelle 9 auf.

[0059] Über die digitale l/O Schnittstelle 9 wird nicht nur die Kommunikation nach außen realisiert, sondern auch die Elektronik 7 sowie die piezoelektrische Scheibe 5 mit Elektrizität versorgt. Die Anordnung der digitalen l/O Schnittstelle 9 auf dem Deckel 6 ermöglicht eine kompakte Bauweise des Ultraschall-Wandlers 1 und eine einfache Kontaktierung, da keine weiteren Anschlüsse zu beachten sind. Im Gegensatz zu analogen Schnittstellen besitzt eine digitale 1/0 Schnittstelle 9 eine hohe Toleranz bezüglich Störsignalen, die beispielsweise von naheliegenden Elektromotoren stammen können. Beispielsweise kann die Schnittstelle auch mit einem FFC Konnektor realisiert werden. Dieser stellt über seine acht Kontakte ein Debug-Interface zur Verfügung, welches eine Vielzahl an Auslesemöglichkeiten bietet, die insbesondere für Entwickler und bei aufwendigeren Anwendungen vorteilhaft sein können. Als besonders einfache Alternative kann 2oder 3-Wire-Interface als Schnittstelle verwendet werden. Diese sind gegenüber den vorher genannten Alternativen Schnittstellen am kostengünstigsten. Auch einfache Stiftleisten, die mit zwei bis acht Stiften versehen sind, sind als Schnittstelle für den Ultraschwallwandler 1 möglich.

[0060] Der Deckel 6 ist eine Leiterplatte 12, die auf einer Außenseite Masseflächen und auf einer Innenseite die Elektronik 7 in Form von elektrischen Bauteilen aufweist. Vorzugsweise ist der Deckel 6 so geformt, dass er die Wände des Behältnisses 2 nicht berührt. Die Leiterbahnen auf der Leiterplatte 12 können angepasst werden, um die elektrischen Komponenten beispielsweise platzsparend oder geometrisch vorteilhaft bezüglich der Form des Behältnisses 2 zu arrangieren.

[0061] Durch die Anordnung der Elektronik 7 auf die Innenseite des Deckels 6 werden die elektrischen Komponenten, falls das Behältnis 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, vor äußeren elektromagnetischen Störsignalen geschützt.

[0062] Darüber hinaus fördert die unebene Oberfläche, die durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht wird, eine Streuung von Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe 5 zum Deckel 6, und damit falschrum, propagiert. Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Elektronik 7 auf der Innenseite der Elektronik 7 ist, dass die Elektronik 7 vor mechanischen oder chemischen Schäden, die aus Umgebungseinflüssen resultieren können, geschützt wird.

[0063] Indem die Leiterplatte 12 flexibel ist und/oder in einer plastischen Masse eingegossen ist, kann Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe 5 zum Deckel 6 propagiert, gedämpft werden und damit eine weitere Ausbreitung von Vibrationen sowie damit einhergehende Phantomsignale unterdrückt werden. Ein Einbau einer flexiblen Leiterplatte 12 als Deckel 6 kann gegenüber starren Deckeln 6 einfacher durchzuführen sein. Die plastische Masse wird zum Auffüllen von möglichen Ritzen sowie Löcher in der Leiterplatte 12 und einem möglichen Spalt zwischen Deckel 6 und Behältnis 2 benutzt. Somit kann das das Behältnis 2 versiegelt werden und die Ausbreitung der Ultraschallwellen noch besser unterdrückt werden. Wird ein Deckel 6 verwendet, der kleiner als das Behältnis 2 ist, kann mit der plastischen Masse trotzdem ein dichter Verschluss realisiert werden, der sogar Ubertragungen von Vibrationen zwischen Deckel 6 und Wand 4 mindert. Als plastische Masse kann etwa ein Silikon oder ein weiches Harz benutzt werden.

[0064] Der Deckel 6 kann mit einem wiederverschließbaren Befestigungsmechanismus im Behältnis 2 fixiert sein. Der Befestigungsmechanismus kann beispielsweise ein Einschnapp-Mechanismus sein, der den Deckel 6 an einer Position lösbar fixiert. Dadurch kann der Deckel 6 geöffnet werden und die elektrischen Komponenten oder Kontaktierungen der Elektronik 7 auf der Innenseite des Deckels 6 begutachtet werden. Entspricht der Querschnitt des Deckels 6 dem Innenquerschnitt des Behältnisses 2, ist es vorteilhaft, einen elastischen Ring, der beispielweise aus Silikon sein kann, unter dem Deckel 6 zu positionieren. Auf diese Weise kann ein wenig Freiraum beim Öffnen des Deckels 6 gestattet werden, der das Öffnen erleichtert.

[0065] In Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel für eine Außenrissform sowie für ein Layout der Leiterbahnen eines Deckels 6 gezeigt. Der Deckel 6 kann samt Elektronik 7 auf Ober- sowie Unterseite des Deckels 6 mit einer Schutzschicht bedeckt werden, um die Leitungen, die Elektronik 7 und die Kontaktierungen gegenüber Feuchtigkeit, Korrosion und möglichen Kurzschlüssen zu schützen. Bei der Schutzschicht kann es sich beispielsweise um einen Lack oder einen Verguss handeln.

[0066] Der Deckel 6 weist am Rand drei Ausnehmungen 15 auf, wobei zwei der drei Ausnehmungen 15 auf entgegengesetzten Seiten des Deckels 6 liegen. Die entgegengesetzten Ausnehmung 15 erlauben es, den Deckel 6 beim Einsetzen in das Behältnis 2 einfacher handhaben zu können. So erlauben die Ausnehmungen 15 im Deckel 6, die ebenfalls eine elektrische Verbindung zwischen Ober- und Unterseite aufweisen können, eine einfachere Kontaktierung zwischen den Drähten 14 und den Elektronik 7. Beispielsweise kann es durch die Ausnehmungen 15 ermöglicht werden, den Deckel 6 mit einer Translationsbewegung an die 14 Drähte heranzuschieben. Der Deckel 6 kann vermittels der Ausnehmungen 15 für eine einfache Kontaktierung, die beispielsweise mit einem Lötprozess realisiert wird, noch etwas bewegt werden, um so etwas Spielraum für die Kontaktierung des Deckels 6 mittels Draht 14 herzustellen. Alternativ dazu müssten die Drähte 14 durch kleine Löcher im Deckel gefädelt werden, wodurch die Zusammensetzung des Ultraschall-Wandlers erschwert würde.

[0067] Eine vorteilhafte Montage des Deckels 6 stellt sich folgendermaßen dar. Zuerst wird am Behältnis 2 eine Auflagefläche sowie angrenzende Seitflächen des Deckels mit einem Dämpfmaterial, beispielsweise Silikon, bedeckt und dieses falls nötig ausgehärtet. Anschließend wird der Deckel 6 in dem Behältnis 2 angeordnet und eine elektrische Kontaktierung zwischen der piezoelektrischen Scheibe 5 und der Elektronik 7 über den Draht 14 hergestellt. Nachdem der Deckel 6 elektrisch kontaktiert ist, wird er an seine finale Position geschoben. Nun wird eine weitere Schicht Dämpfungsmaterial, wie zum Beispiel Silikon, entlang des äußeren Umfangs des Deckels 6 verklebt, die den Deckel 6 an seine Position befestigt. Folgend kann ein flüssiges Dämpfungsmaterial in das Behältnis gefüllt werden.

[0068] Weiterhin kann das Behältnis 2 durch eine Ausnehmung 15 auch im geschlossenen Zustand mit einem flüssigen Füllmaterial befüllt werden. Dies sorgt dafür, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Dämpfungselement 8 und dem Deckel 6 sowie der Elektronik 7 gebildet werden kann, da Lufteinschlüsse zwischen Deckel 6 und Dämpfungselement 8 vermieden wird, da das flüssige Füllmaterial das Behältnis 2 komplett ausfüllt. Das sorgt dafür, dass die Elektronik 7 am Deckel 6 durch das formschlüssigen Dämpfungselement 8 noch besser geschützt wird und der Deckel 6 gegenüber Vibrationen gedämpft wird. Insbesondere eine Übertragung der Vibrationen vom Behältnis 2 an den Deckel 6 kann durch die Dämpfung des Deckels 6 durch das Dämpfungselement 8 unterdrückt werden, so dass sich keine akustischen Nebenkeulen bilden können, die die Distanzmessung verfälschen können. Indem mehr als eine Ausnehmung 15 im Deckel 6 eingeführt werden, kann beim Füllprozess ein stetiger und gleichmäßiger Druckausgleich stattfinden. Dies verhindert Blasen und Lufteinschlüsse, die beim Füllprozess sonst leicht entstehen können. Stattdessen wird ein homogenes formschlüssiges Dämpfungselement 8, ohne makroskopische Luftblasen, im Behältnis 2 geformt.

[0069] In zwei der drei Ausnehmungen 15 wurde kann ein Durchgang 16 für einen Draht 14 gebildet. Durch diese kann die piezoelektrische Scheibe 5 mit der Elektronik 7 im Deckel 6 elektrisch verbunden werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem Draht 14 und der Elektronik 7 wird durch den Durchgang 16 stabilisiert. In einer Ausführungsform kann ein flüssiges Füllmaterial so in das Behältnis 2 gefüllt werden, dass das flüssige Füllmaterial die Ausnehmungen 15 und damit auch den Durchgang 16 und die Kontaktierung zwischen Draht 14 und Elektronik 7 bedeckt. Durch den Uberzug aus flüssigem Füllmaterial, das im Anschluss trocknet, wird die Kontaktierung von Draht 14 und Elektronik 7 vor äußeren Einflüssen geschützt. Weiterhin kann der Deckel 6 nach der Montage auf der Oberseite mit einer Schutzschicht beschichtet werden sowie mit einer Folie oder einem Verschluss versiegelt werden, um den Ultraschwallwandler 1 und die Elektronik 7 vor der Umgebung zu schützen.

[0070] In dem Layout der Leiterbahnen, das in Figur 2 gezeigt wird, ist eine integrierte Schaltung 17 mittig angeordnet. Die integrierte Schaltung 17 weist eine Ladungspumpe auf, mit der die von der piezoelektrischen Scheibe 5 benötigte Betriebsspannung, die höher ist als eine Versorgungsspannung der Schaltung zwischen 5 und 12 V, generiert werden kann. Alternativ könnten zwar auch Transformatoren für die Erzeugung höherer Spannungen genutzt werden, diese weisen jedoch eine große Bauform auf. Ladungspumpen neigen dazu, eine geringe Offset-Spannung auf der Masseleitung zu generieren. Schnelle Oszillationen auf den Masseleitungen, die sich beispielsweise auf einer digitalen Masseleitung 19 auf Grund der schnellen Schaltzeiten der integrierten Schaltung 17 bilden können, können sich parasitär auf eine analoge Masseleitung 18 ausbreiten und somit die Signalverarbeitung sowie die Distanzmessung stören. Indem die digitale und analoge Masseleitung 18, 19 so ausgestaltet werden, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen, wird eine Störung der Distanzmessung unterdrückt. Dies wurde bei dem Layout, das in Figur 2 gezeigt wird, erreicht.

[0071] In erster Linie wird eine elektromagnetische Entkopplung der digitalen Masseleitung 19 erzielt, indem die analoge Masseleitung 18 und die digitale Masseleitung 19 auf entgegengesetzten Seiten der integrierten Schaltung 17 angeordnet sind. In dem Layout aus Figur 2 ist die digitale Masseleitung 19 am rechten unteren Eckpunkt der integrierten Schaltung 17 angeordnet und bildet dort eine Massefläche, wogegen die analoge Masseleitung 18 lediglich durch eine kurze Leiterbahn am linken oberen Eck der integrierten Schaltung 17 ausgebildet ist. Somit ist eine räumliche Distanz zwischen der digitalen und der analogen Masseleitung 18, 19 vorgegeben, so dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Masseleitungen vermieden wird und keine ungewollten Störungen auftreten.

[0072] Das Dämpfungselement 8, das zwischen dem Deckel 6 und dem Boden 3 angeordnet ist und das gesamte Behältnis 2 ausfüllt, dient erster Linie zur Dämpfung des Ultraschalls und der Vibrationen, die von der piezoelektrischen Scheibe 5 stammen. Daher ist die wichtigste Eigenschaft des Dämpfungselements 8 die Dämpfungskonstante insbesondere für typische Ultraschallfrequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz, wobei die Dämpfungskonstante möglichst groß sein sollte. Gummis oder Schaumstoffe weisen geeignete Dämpfungseigenschaften auf. Ausdrücklich sind Schaumstoffe aus Kunstoffen, wie etwa Silikon, die Gaseinschlüsse aufweisen, als Material für Dämpfungselement 8 geeignet. Diese können als Feststoff in das Behältnis 2 positioniert werden oder als Flüssigkeit in das Behältnis 2 gegossen werden, wo die flüssige Masse, wie beispielsweise zweikomponentiges Silikon, aushärtet und das Behältnis 2 formschlüssig ausfüllt. Zusätzlich zur Dämpfung der Ultraschallwellen stabilisiert das Dämpfungselement 8 das Behältnis 2 auch noch mechanisch, so dass das Behältnis 2 einen größeren Außendruck widersteht.

[0073] Auf einer äußeren Oberfläche der Verbindungsfläche, zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses 2, ist ein adhäsives Material 10 angeordnet. Bevorzugter Weise ist das adhäsive Material 10 aus einem schaumartigen, weichen Material, welches Vibrationen dämpft. Durch den Einsatz des adhäsiven Materials 10 wird ein Einbau des Ultraschall-Wandlers 1 vereinfacht, da der Ultraschall-Wandler 1 nur an eine Zielposition platziert werden muss, so dass das adhäsive Material 10 an einer Befestigung haftet. Ein schaumartiges Material mindert eine Übertragung von Vibrationen vom Ultraschall-Wandler 1 zu der Befestigung. Es kann sich hierbei etwa um ein doppeltes Klebeband, das einen schaumartigen Kern aufweist, handeln. Dieses Klebeband kann bereits an die vorgesehen Fläche mit einer Seite des Klebebands angebracht sein, wobei eine zweite klebende Seite des Klebebands noch bis zur endgültigen Montage des Ultraschall-Wandlers 1 in eine Anwendung mit einer Schutzfolie bedeckt bleiben kann.

[0074] Entlang einer äußeren Oberfläche der Wand 5 des unteren Teils des Behältnisses 2 ist eine vibrationsdämpfende Komponente 11 angeordnet. Die vibrationsdämpfende Komponente 11 dämpft den Ultraschall und Vibrationen bezüglich einer unerwünschten Propagationsrichtung senkrecht zum Boden 3. Die vibrationsdämpfende Komponente 11 ist vorzugsweise aus einem schaumartigen Material, welches vorzugsweise auch elektrisch leitfähiges ist, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandlers 1 zu erhöhen. Es ist jedoch auch möglich ein nichtleitendes Material, wie etwa Silikon zu nutzen.

[0075] In Figur 3 wird der Querschnitt eines zusammengefügten Ultraschall-Wandlers 1 gezeigt. Die Wand 5 des unteren Teils des Behältnisses 2 ist mit einer vibrationsdämpfende Komponente 11 von außen verkleidet und die Verbindungsfläche zwischen dem unteren und oberen Teil des Behältnisses 2 ist von außen mit adhäsiven Material 10 versehen. Auf den Boden 3 im Inneren des Behältnisses 2 ist eine piezoelektrische Scheibe 5 angeordnet, die durch das Dämpfungselement 8, das das gesamte Behältnis 2 ausfüllt, mit der Elektronik 7 über Drähte 14 elektrisch kontaktiert ist.

[0076] Die Verbindungsfläche zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses 2 ist dicker als der Rest des Behältnisses 2. Diese verstärkten Verbindungsflächen sind dafür ausgelegt als Auflageflächen an einer Befestigung, einem Gerüst oder einem Tragwerk in einer Anwendung genutzt zu werden. Der Boden 3, der auch als Membran genutzt wird, ist dünner als 1 mm. Auf der einen Seite muss der Boden 3 elastisch genug sein, um den Auslenkbewegungen der piezoelektrischen Scheibe 5 nicht stark zu behindern. Auf der anderen Seite muss der Boden 3 eine gewisse Stabilität aufweisen, damit er bei einer äußeren Krafteinwirkung, wie etwa bei einer Bestrahlung mit Wasser zur Reinigung, keinen Schaden nimmt. Ein vorteilhafter Kompromiss wurde bei einer Stärke vom Boden 3 von weniger als 1 mm und mehr als 0,2 mm gefunden. Die Wände sind mindestens 1,5-fache so dick wie der Boden 3, sollten aber nach Möglichkeit dicker als das 3-fache der Stärke des Bodens 3 sein. Eine so dicke Wandstärke ist geeignet die Übertragung von Vibrationen des Bodens 3 bzw. der Membran zu der Verbindungsfläche zwischen oberen und unteren Teil des Behältnisses 2 zu mindern. Da die Verbindungsfläche eine Auflagefläche des Ultraschall-Wandlers 1 zu einer Befestigung sein kann, sollte gerade an diese Verbindungflächen Vibrationen und Auslenkungen vermieden werden. Ansonsten können Vibrationen an eine angrenzende Befestigung, die zur Applikation gehört, übertragen werden. Die übertragenen Vibrationen können wiederum reflektiert werden und daher im Ultraschall-Wandler 1 als Phantomsignal fälschlicherweise als ein Messsignal erfasst werden. Eine Wandstärke die mindestens das 1,5-fache der Stärke der Membran beträgt, mindert die Übertragung von Vibrationen vom Boden 3 an andere Teile des Behältnisses 2 und beugt so dem Problem vor.

[0077] In einer weiteren Ausführungsform des Behältnisses 2, die in Figur 4 gezeigt wird, besitzt das Behältnis 2 eine Stufe entlang der Offnung in der Wand 4. Diese Stufe wird als Auflagefläche für den Deckel 6 verwendet, so dass der Deckel 6 einfach in dem Behältnis 2 angeordnet werden kann. Der Deckel 6 kann fest und vibrationsgedämpft mit dem Behältnis 2 verbunden werden, indem eine Silikon- oder Schaumstoffschicht zwischen Deckel 6 und Behältnis 2 als Verbundmaterial verwendet wird. Eine weitere Schicht Silikon oder Schaumstoff kann an und in den Rand zwischen den eingebetteten Deckel 6 und dem Behältnis 2 gegeben werden, um den UltraschallWandler 1 noch wasserresistenter zu gestalten.

[0078] Alle Ecken am Behältnis 2 sind mit einem kleinen Radius abgerundet. Dies liegt am Herstellungsverfahren des Behältnisses 2, das in einem Fließpressverfahren hergestellt werden kann. Hierbei wird ein Aluminium-Butzen zwischen einem inneren Stempel und einer äußeren Matrize zu dem Behältnis 2 gepresst. Um das Behältnis 2 leicht aus dem Stempelwerkzeug zu lösen ist es vorteilhaft, scharfe Kanten und Ecken zu vermeiden und stattdessen an Winkeln Abrundungen einzuführen.

[0079] Figur 4 zeigt weiterhin einen Temperatursensor 20, der auf einer Innenseite des Behältnisses 2, auf dem Boden 3, angeordnet ist. Da die Schallgeschwindigkeit in einem Medium temperaturabhängig ist, wird auch eine Distanzmessung des Ultraschall-Wandlers 1, die auf der Laufzeit eines Schallimpulses beruht, von der Umgebungstemperatur abhängen. Die lineare Korrekturformel für die Schallgeschwindigkeit in Luft kann Cair= (331,3+0, 606*v)*m/s lauten, wobei v die Lufttemperatur in °C ist. Um eine korrekte Distanzmessung des Ultraschall-Wandlers 1 zu ermöglichen, wird dieser Korrekturterm bei der Distanzmessung berücksichtigt. Somit ist ein korrekte Distanzmessung im Bereich von - 40 bis 85 °C realisierbar.

[0080] Durch die Anordnung des Temperatorsensors 20 im Inneren des Behältnisses 2 ist der Temperatursensor vor äußeren Gefahren geschützt. Durch den direkten Kontakt mit dem Behältnis 2, besitzt der Temperatursensor 20 einen guten thermischen Kontakt mit der Umgebung, da

die Wandstärke des Behältnisses 2 gering ist. Ein Behältnis 2 aus Metall kann insbesondere in Kombination mit einem Temperatursensor 20 vorteilhaft sein, da Metall eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzt. Uberdies wird durch die Elektronik 7, die im Deckel 6 integriert ist, Abwärme produziert, wodurch eine Temperaturmessung in deren Nähe des Deckels 6 verfälscht werden kann. Eine Anordnung des Temperatursensors 20 auf dem Boden 3 des Behältnisses 2 ist daher besonders nutzbringend, da die Wandstärke des Behältnisses 2 am Boden 3 besonders gering ist und eine möglichst große Distanz zwischen der Elektronik 7 und dem Temperatursensor 20 gebracht wird. Somit wird eine präzise Temperaturmessung ermöglicht, da der Temperatursensor 20 am Boden einen guten thermischen Kontakt zur Umgebung hat und die Wärmemessung nicht durch eine Wärmeerzeugung der Elektronik 7 verändert wird.

[0081] Als Temperatursensor 20 kommt beispielweise ein NTC-Sensor oder ein PTC-Sensor in Frage. Beide Arten von Sensoren weisen eine hohe Messgenauigkeit und Robustheit bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch auf. Beide Arten von Temperatursensoren 20 können problemlos in elektrischen Schaltungen integriert werden, und sind daher für den Gebrauch im Ultraschall-Wandler 1 geeignet. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die piezoelektrische Scheibe 5 als Temperatursensor 20 verwendet werden. Da die piezoelektrische Scheibe 5 aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, besteht, bildet sie zwischen den Elektroden eine Kapazität. Diese Kapazität ändert sich abhängig von der Umgebungstemperatur, da sich das piezoelektrische Material bei einer positiven Temperaturänderung ausdehnt und bei einer negativen Temperaturänderung zusammenzieht. Ausgehend davon, wird auch der Abstand der Elektroden zueinander, und damit auch die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe 5, abhängig von der Umgebungstemperatur verändert. Durch ein Auslesen der Kapazität der piezoelektrischen Scheibe 5, mit Hilfe der im Deckel 6 integrierten Elektronik 7, kann somit auf die Umgebungstemperatur geschlossen werden und folglich die Distanzmessung des Ultraschall-Wandlers 1 auf Basis der Umgebungstemperatur korrigiert werden.

[0082] Idealerweise ist das Behältnis 2 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, da so die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandler 1 erhöht wird. Insbesondere die piezoelektrischen Scheibe 5 und die auf der Innenseite des Deckels 6 angeordnete Elektronik 7 können durch den Einsatz von leitenden Materialien im Behältnis 2 gegenüber äußeren elektromagnetischen Störsignalen abgeschirmt werden. In kleinen und auch engen Applikationen, wie beispielsweise Drohnen oder autonomen Robotern, ist häufig eine große Anzahl an Elektromotoren verbaut, die den Ultraschall-Wandler 1 beeinträchtigen können. Metalle wie Al, Cu, Sn, Fe, Stahl aber auch Legierungen sind passende leitende Materialien für das Behältnis 2. Die Funktion des Bodens 3 als Membran erfordert eine relativ hohe Flexibilität. Auf Grund dessen sind leitende Materialien mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wie Al und Sn ausgezeichnet geeignet.

[0083] Das Behältnis 2 kann zusätzlich optimiert werden, indem die innere Oberfläche partiell aufgeraut und/oder geglättet wird. Das Aufrauen einer Oberfläche bewirkt, dass Werkstoffe stärker daran haften. Jedoch wird auch Ultraschall an einer rauen, unebenen Fläche stärker gestreut. Eine Glättung der Oberfläche mindert eine Haftung an der Oberfläche, streut indessen auftreffenden Ultraschall weniger. Daher ist es günstig, die Oberfläche des Bodens 3 angrenzend zur piezoelektrischen Scheibe 5 aufzurauen, damit diese über die Klebeschicht 13 besser hält. Weiterhin ist die übrige Fläche des Bodens 3 im Inneren des Behältnisses 2 geglättet, damit eines Dämpfungselements 8 an diesen Flächen nicht haftet und die Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe 5 durch das Dämpfungselement 8 nicht allzu stark behindert wird. Optional können die Innenseiten der Wände ebenfalls aufgeraut werden, um den Ultraschall an dieser Oberfläche stärker zu streuen. Geeignete Verfahren zur Aufrauhung sind etwa ein Sandstrahl-, oder Ätzprozesse sowie Schleif-, oder Beschichtungsprozesse zur Glättung der Oberfläche.

[0084] Weiterhin kann eine Außenseite des Bodens 3 beschichtet, eloxiert oder lackiert werden. Einerseits werden dadurch mögliche Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche beseitigt, die möglichweise die Distanzmessung stören. Andererseits kann die Fläche an eine mögliche Anwendung angepasst werden, da die Farbe oder das Oberflächenmaterial passend zu der Umgebung gestaltet werden kann, so dass der Ultraschwallwandler 1 nicht heraussticht.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Ultraschall-Wandler

2 Behältnis

3 Boden

4 Wand

5 piezoelektrische Scheibe 6 Deckel

7 Elektronik

8 Dämpfungselement

9 digitale I/O Schnittstelle 10 adhäsives Material

11 vibrationsdämpfende Komponente 12 Leiterplatte

13 Klebeschicht

14 Draht

15 Ausnehmung

16 Durchgang

17 integrierte Schaltung

18 analoge Masseleitung 19 digitale Masseleitung 20 Temperatursensor

AT 17 237 U1 2021-10-15

Claims

Ansprüche

1. Ein Ultraschall-Wandler (1) aufweisend:

- ein Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und einer Wand (4);

- eine piezoelektrische Scheibe (5), wobei die piezoelektrische Scheibe (5) innerhalb des Behältnisses (2) auf dem Boden (3) angeordnet ist;

- einen Deckel (6), wobei der Deckel (6) das Behältnis (2) verschließt;

- Elektronik (7), die im Deckel (6) integriert ist,

wobei die Elektronik (7) die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu aus-

gestaltet ist, die piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.

2. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein Dämpfungselement (8) zwischen dem Boden (3) und dem Deckel (6) angeordnet ist, und wobei das Dämpfungselement (8) das Behältnis (2) ausfüllt.

3. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel (6) mit einem wiederverschließbaren Befestigungsmechanismus fixiert wird.

4. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel (6) mindestens zwei Ausnehmungen (15) aufweist.

5. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei zumindest in einer der Ausnehmungen (15) ein Durchgang (16) für einen Draht (14) gebildet ist, wobei die piezoelektrische Scheibe (5) mit der Elektronik (7) durch den Draht (14) elektrisch verbunden ist.

6. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Behältnis (2) eine Stufe entlang der Öffnung in einer Wand (5) aufweist.

7. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektronik (7) eine digitale I/O Schnittstelle (9) auf der Außenseite des Deckels (6) aufweist.

8. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Boden (3) dünner als 1 mm ist.

9. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Stärke der Wände mindestens das 1,5-fache der Stärke des Bodens (3) beträgt.

10. Ein Ultraschall- Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Behältnis (2) aus einem elektrisch leitenden Material besteht.

11. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine innere Oberfläche das Behältnis (2) partiell aufgeraut und/oder geglättet ist.

12. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Teil des Bodens (3) oder eine Fläche des Behältnisses (2), die parallel zum Boden (3) verläuft, eine dickere Wandstärke aufweist als die zur piezoelektrischen Scheibe (5) angrenzende Bodenfläche.

13. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Behältnis (2) auf einer äußeren Oberfläche der Flächen, die eine dickere Wandstärke aufweisen, ein adhäsives Material (10) aufweist.

14. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses (2) vibrationsdämpfende Komponenten (11) angeordnet sind.

15. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel (6) eine Leiterplatte (12) ist.

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Ästerreichisches AT 17 237 U1 2021-10-15

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 15, wobei die Leiterplatte (12) flexibel ist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Leiterplatte (12) in eine plastische Masse eingegossen ist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 17,

wobei die Leiterplatte (12) elektrische Komponenten aufweist, und wobei die elektrischen Komponenten auf einer Fläche der Leiterplatte (12), die zur piezoelektrischen Scheibe (5) zeigt, angeordnet sind.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Leiterplatte (12) eine integrierte Schaltung (17) mit einer Ladungspumpe aufweist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 19,

wobei die Leiterplatte (12) eine analoge Masseleitung (18) und eine digitale Masseleitung (19) aufweist, und wobei die analoge Masseleitung (18) und die digitale Masseleitung (19) so ausgestaltet sind, dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der digitalen Masseleitung (19) und der analogen Masseleitung (18) unterdrückt wird.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach den Ansprüchen 19 und 20, wobei die analoge Masseleitung (18) und die digitale Masseleitung (19) auf entgegengesetzten Seiten der integrierten Schaltung (17) angeordnet sind.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die piezoelektrische Scheibe (5) als Temperatursensor (20) verwendet wird.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ultraschall-Wandler (1) einen Temperatursensor (20) aufweist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 23, wobei der Temperatursensor (20) ein NTC-Sensor oder ein PTC-Sensor aufweist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei der Temperatursensor (20) auf einer Innenseite des Behältnisses (2) angeordnet ist.

Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 22 bis 25,

wobei der Ultraschall-Wandler (1) dazu ausgestaltet ist, eine Temperaturabhängigkeit von gemessenen Distanzen auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auf Basis von Messwerten des Temperatursensors (20) auszugleichen.

Gerät aufweisend

einen Ultraschall-Wandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26,

wobei das Gerät dazu ausgestaltet ist, auf Basis eines von dem Ultraschall-Wandler (1) ermittelten Signals eine Distanz des Geräts zu einem Objekt zu messen.

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers (1),

aufweisend die Schritte: ”

- Herstellen eines Behältnisses (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und einer Wand (4) in einem Fließpressverfahren;

- Befestigen einer piezoelektrischen Scheibe (5) auf dem Boden (3) des Behältnisses;

- Verschließen des Behältnisses (2) mit einem Deckel (6), der eine integrierte Elektronik (7) aufweist, wobei die Elektronik (7) die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist, die piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.

Verfahren gemäß Anspruch 28,

wobei vor dem Verschließen des Behältnisses (2) ein erster Silikonring auf einer vom Boden (3) wegweisenden Auflagefläche des Behältnisses (2) angeordnet wird und ausgehärtet wird, und wobei bei dem Schritt des Verschließens des Behältnisses (2) der Deckel (6) auf dem ersten Silikonring angeordnet wird.

30. Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei ein zweiter Silikonring auf der Seite des Deckels (6) angeordnet wird, die vom Boden (3) wegweist, und wobei der Deckel (6) zwischen dem ersten und dem zweiten Silikonring fixiert wird.

31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Elektronik (7) mit der piezoelektrischen Scheibe (5) über einen Draht (14) elektrisch kontaktiert ist, der mit der Elektronik (7) verlötet ist.

32. Verfahren gemäß Anspruch 31, wobei der Deckel (6) zumindest eine Ausnehmung (15) aufweist, in der der Draht (14) angeordnet wird, wobei in dem Schritt des Verschließens des Behältnisses (2) der Deckel (6) durch eine Translationsbewegung auf das Behältnis (2) aufgeschoben wird und anschließend der Draht (14) mit der Elektronik (7) verlötet wird.

33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei ein flüssiges Füllmaterial in einen Hohlraum zwischen dem Deckel (6) und dem Boden (3) eingefüllt wird, und wobei das flüssige Füllmaterial zu einem Dämpfungselement (8) ausgehärtet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen