DE102005039093A1

DE102005039093A1 - Ultraschallsensor, Entkopplungsmaterial für einen Ultraschallsensor und Verfahren zur Lackierung eines Ultraschallsensors

Info

Publication number: DE102005039093A1
Application number: DE200510039093
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. Gotzig; Jürgen HÖNLE; Wolfgang Katzenberger
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2007-02-15
Also published as: EP1752967A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (10), umfassend eine schwingfähige Sensormembrane (14) mit einer aktiven Sensorfläche (18) und ein Gehäuse (12), wobei wenigstens abschnittsweise zwischen dem Gehäuse (12) und der Membrane (14) ein Entkopplungsmaterial (20) vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Entkopplungsmaterial aus Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren ausgewählt ist. Die Erfindung betrifft zudem das Entkopplungsmaterial für einen derartigen Ultraschallsensor sowie ein Verfahren zur Lackierung des Sensors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor umfassend eine schwingfähige Sensormembrane mit einer aktiven Sensorfläche und ein Gehäuse, wobei wenigstens abschnittsweise zwischen dem Gehäuse und der Membrane ein Entkopplungsmaterial vorgesehen ist. Derartige Ultraschallsensoren sind in vielfältiger Art und Weise bekannt und finden insbesondere im Automotive-Bereich für Parkhilfesysteme Verwendung. Über die aktive Sensorfläche können Ultraschallsignale versandt und reflektierte Echosignale empfangen werden. Zur Entkopplung der schwingfähigen Membrane gegenüber dem Sensorgehäuse ist das Entkopplungsmaterial vorgesehen, das schwingungsdämpfende und dichtende Eigenschaften aufweisen soll. Beim bekannten Stand der Technik findet als Entkopplungsmaterial Silikon Verwendung.

Um die Ultraschallsensoren möglichst unauffällig an Fahrzeugteilen anzuordnen, ist es erwünscht, die sichtbaren Bereiche der Ultraschallsensoren mit einem entsprechenden Lack in einem Farbton dem Fahrzeugteil entsprechend zu lackieren. In der Regel ist für den Fahrzeugbetrachter zum einen die aktive Sensorfläche und zum anderen das an die aktiv Sensorfläche angrenzende Entkopplungsmaterial sichtbar. Das Entkopplungsmaterial umgibt dabei in der Regel die Membrane ringartig und füllt den Raum zwischen der Membrane, die insbesondere topfförmig ausgebildet sein kann, und dem Gehäuse des Sensors.

Das zu verwendende Entkopplungsmaterial muss dabei extremen Anforderungen gerecht werden. Es muss die Schwingung der Membrane beziehungsweise der aktiven Fläche in einem Temperaturbereich von + 90 ° Celsius bis – 40 ° Celsius zulassen. Ferner muss es eine funktionssichere Dichtwirkung zwischen der Sensormembrane und dem Gehäuse gewährleisten. Diese Eigenschaften erfüllt das aus dem Stand der Technik bekannte und als Entkopplungsmaterial verwendete Silikon. Das verwendete Silikon hat allerdings den Nachteil, dass es sich nicht ohne Weiteres lackieren lässt. Auf das Silikon aufgetragene Lackschichten haften nicht dauerhaft am Silikon.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten und zuvor beschriebenen Ultraschallsensor zur Verfügung zu stellen, der ein Entkopplungsmaterial vorsieht, das den an das Entkopplungsmaterial gestellten Anforderungen gerecht wird. Insbesondere soll das Entkopplungsmaterial ein Schwingen der Membrane von + 90°-40° Celsius zulassen, es soll eine funktionssichere Dichtwirkung zwischen Membrane und Gehäuse gewährleisten und zudem lackierbar sein. Dabei ist es wünschenswert, die aktive Sensorfläche der Membrane mit dem Entkopplungsmaterial in einem Arbeitsgang zu lackieren.

Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschallsensor gelöst, dessen Entkopplungsmaterial aus Silicon-Harnstoff-Copolymeren, vorzugsweise Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren ausgewählt ist. Ein derartiges Entkopplungsmaterial erfüllt die an das Entkopplungsmaterial gestellten Anforderungen und ist insbesondere lackierbar.

Im Sinne dieser Erfindung wird unter Silicon im weitesten Sinne Polyorganosiloxane verstanden. Siliciumatome sind über Sauerstoffatome ketten- und/oder netzartig verknüpft, wobei die restlichen Valenzen des Siliciums durch organische Reste (z.B. Alkyl, Allyl, Alkenyl, Alkinyl), vorzugsweise Methylgruppen abgesättigt sind. Der Begriff Siloxane bezeichnet die Sauerstoffverbindungen des Siliziums der allgemeinen Formel H₃Si-[O-Si H₂]n-O-Si H₃ (n = beliebige Zahl). Die jeweiligen Wasserstoffatome können durch organische Reste oder Halogen-Atome ersetzt sein. Silicone sind daher die entsprechenden Polymerisationsprodukte (Polyorganosiloxane) der Organosiloxane. Solche Siloxane entstehen bei der Kondensation von Silanolen oder direkt durch Hydrolyse der Chlorsilane.

Harnstoff im Sinne dieser Erfindung umfasst zum einen Harnstoff als solches oder dessen Derivate, wobei ein oder mehrere Wasserstoffahtome durch einen organischen Rest ersetzt sind.

Die erfindungsgemäßen Silicon-Harnstoff-Copolymeren oder Polysiloxan-Harnstoff-Copolymeren sind vorzugsweise Copolymere aus den Monomeren Harnstoff oder eines Harnstoffderivates sowie Silikon, vorzugsweise mit einem Anteil des Silcons höher als 70 %, insbesondere 80 % oder 90 % im Copolymer.

Erfindungsgemäß eingeschlossen sind daher solche Silikon-Harnstoff-Copolymeren, die Gegenstand der Patentanmeldung DE 196 54 556 A1 sind. In diesem Zusammenhang wird auf den gesamten Offenbarungsgehalt der genannten Druckschrift zurückgegriffen.

Das Entkopplungsmaterial kann dabei insbesondere ein von der Firma Wacker-Chemie GmbH, Wacker Silicones, 81737 München unter dem Handelsnamen Geniomer^® vertriebenes elastisches Silikon-Harnstoff-Copolymer sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Membrane aus einer Aluminium-Legierung gebildet, die zumindest an der aktiven Fläche eine Acrylbeschichtung aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Membrane zur Versendung und zum Empfangen von Ultraschallsignalen besonders geeignet ist. Dabei kann die Schichtdicke der Acrylbeschichtung im Bereich von 30-45 μm liegen, wobei in diesem Bereich das Sende- und Empfangsverhalten der Membrane wenn überhaupt, nur geringfügig negativ beeinträchtigt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die aktive Fläche und die zwischen dem Gehäuse und der aktiven Fläche liegende Oberfläche des Entkopplungsmaterials eine ein- oder mehrlagige Lackschicht aufweist. Die Lackschicht auf der Membrane und dem Entkopplungsmaterial wird dabei vorteilhafterweise in einem Arbeitsgang aufgetragen. Bei Vorsehen mehrerer Lackschichten ist denkbar, dass eine Grundiermittelschicht, eine Basislackschicht und/oder eine Klarlackschicht vorhanden sein kann. Die Schichtdicke der Lackschicht ist vorteilhafterweise kleiner als 145 μm. Bei gut deckenden Lacken kann die Lackschicht auch wesentlich kleiner sein.

Die Aufgabe, einen Ultraschallsensor bereitzustellen, der sich vorteilhafterweise lackieren lässt, wird auch dadurch gelöst, das wenigstens der im Bereich der Sensorlängsachse liegende Oberflächenbereich der aktiv Fläche das an die Membrane und/oder an die aktiv Fläche angrenzende Entkopplungsmaterial in Richtung der Sensorlängsachse wenigstens geringfügig, insbesondere um 0,1-0,5 mm und insbesondere um etwa 0,3 mm überragt. Durch ein derartiges Überragen kann erreicht werden, dass keine Hinterschneidungen auftreten, die den Lackiervorgang behindern würden. Insofern wird ein Ultraschallsensor bereitgestellt, der vorteilhafterweise lackierbar ist.

Dabei ist denkbar, dass an der freien Oberfläche liegendes Entkopplungsmaterial das Gehäuse in Richtung der Sensorlängsachse zur aktiven Fläche hin überragt. Hierdurch wird erreicht, dass genügend Oberfläche zur Lackierung des Entkopplungsmaterials bereitgestellt wird. Ferner wird erreicht, dass das Entkopplungsmaterial die Membrane nicht nur gegen das Gehäuse des Ultraschallsensors dämmt, sondern auch an ein, im verbauten Zustand des Ultraschallsensors an das Entkopplungsmaterial angrenzendes, Fahrzeugteil. Insofern erfüllt dann das Entkopplungsmaterial eine Doppelfunktion.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist denkbar, dass das Gehäuse an der freien Oberfläche in einer orthogonal zur Sensorlängsachse liegenden Ebene an das Entkopplungsmaterial angrenzt. Hierdurch wird eine definierte Anlagefläche gebildet, an der der Ultraschallsensor an das Fahrzeugteil zum Anliegen kommen kann. Dabei ist zudem denkbar, dass auch die Oberfläche des Entkopplungsmaterials senkrecht zur Längsachse des Sensors verlaufen kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der an die aktiv Fläche und/oder die Membrane anschließende Bereich der freien Oberfläche des Entkopplungsmaterials im Wesentlichen orthogonal zur Sensorlängsachse verläuft. Auch hierdurch werden Kanten und Überschneidungen verhindert, die eine Lackierung des Sensors negativ beeinflussen würden.

Zur weiteren Verbesserung der Lackierung ist denkbar, dass der radial außen liegende und/oder an das Entkopplungsmaterial angrenzende Bereich der aktiven Fläche eine Verjüngung bzw. Anfasung aufweist. Die aktiv Fläche fällt dann in Richtung des Entkopplungsmaterials leicht ab. Vorteilhafterweise liegt der Neigungswinkel der Verjüngung bezüglich einer orthogonal zur Längsachse verlaufenden Ebene im Bereich von 20° bis 40° und insbesondere bei etwa 30°. Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Neigungswinkel zum einen die Lackierfähigkeit des Ultraschallsensors verbessert und zum anderen keine oder nur geringfügig nachteilige Auswirkungen auf das Sende- und Empfangsverhalten des Ultraschallsensors hat.

Dabei ist denkbar, dass zwischen dem die Verjüngung aufweisenden Bereich und dem senkrecht zur Längsachse verlaufenden Bereich der aktiven Fläche eine Rundung vorgesehen ist. Die Rundung, die beispielsweise einen Radius von 0,5 mm aufweisen kann, dient ebenfalls zur Verbesserung der Lackierfähigkeit des Ultraschallsensors.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Entkopplungsmaterial durch Umspritzen der Membrane auf die Membrane aufgebracht werden. Das Entkopplungsmaterial kann dabei vorteilhafterweise die Membrane ring- oder hülsenartig umgeben.

Die Erfindung betrifft neben einem Ultraschallsensor auch das Entkopplungsmaterial, das ausgewählt ist aus Silikon-Harnstoff-Copolymeren, vorzugsweise Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Lackierung der aktiven Fläche und der zwischen dem Gehäuse und der aktiv Fläche liegenden Oberfläche des Entkopplungsmaterials eines erfindungsgemäßen Sensors gelöst, das sich durch folgende Schritte auszeichnet:

(a) Reinigen der Oberfläche der aktiven Sensorfläche und des daran angrenzenden zu lackierenden Entkopplungsmaterials derart, dass die Oberflächenqualität des Entkopplungsmaterials nicht negativ beeinflusst wird, und
(b) Aufbringen einer Grundiermittelschicht, einer Basislackschicht und/oder einer Klarlackschicht auf die gereinigte Oberfläche.

Die Reinigung der Oberfläche kann dabei insbesondere durch Waschbenzin erfolgen. Ferner ist denkbar, die Reinigung in Waschautomaten durchzuführen, bei denen die zu lackierende Oberfläche mittels Hochdruck und entsprechenden, schonenden Waschmitteln gereinigt wird.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
Die Figur zeigt einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor 10, der ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 und eine schwingfähige, beispielsweise topfförmige Membrane 14 umfasst. Die Membrane (14) weist dabei einen dünnwandigen Boden 16 auf, dessen freie Fläche die aktiv Sensorfläche 18 des Sensors bildet. Zwischen der Membrane 14 und dem Gehäuse 12 ist Entkopplungsmaterial 20 vorgesehen. Das Entkopplungsmaterial ist dabei erfindungsgemäß aus Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren. Die Membrane 14 wird vorteilhafterweise von einer Aluminium-Legierung gebildet, die eine in der Figur nicht dargestellte Acrylschicht aufweist. Das Gehäuse 12 kann aus einem geeigneten Kunststoffmaterial sein.
Zur Lackierung der freien Oberfläche der aktiven Fläche 18 sowie der freien Oberfläche 22 des Entkopplungsmaterials 20 können die zu lackierenden Oberflächen zunächst gereinigt werden. Beim Reinigen ist darauf zu achten, dass Reinigungsmittel verwendet werden, die keine Silikonanteile aus dem Entkopplungsmaterial 20 herauslösen. Beispielsweise kann Waschbenzin Verwendung finden. Nach der Reinigung können die Oberflächen mit einem geeigneten Lack beziehungsweise mit einer Grundiermittelschicht, einer Basislackschicht und/oder einer Klarlackschicht lackiert werden.
Der gezeigte Ultraschallsensor 10 weist Geometrien auf, die ein Lackieren begünstigen.
Der im Bereich der Sensorlängsachse 24 liegende Oberflächenbereich 25 der aktive Fläche 18 überragt dabei das an die aktive Fläche 18 angrenzende Entkopplungsmaterial um einen Wert x, der insbesondere im Bereich von 0,3 mm liegt. Wie der Figur weiter zu entnehmen ist, überragt das an der freien Oberfläche liegende Entkopplungsmaterial 22 das Gehäuse 12 in Richtung der Sensorlängsachse 24 zur aktiven Fläche 18 hin um den Betrag y. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein großflächiger Abschnitt zum Lackieren zur Verfügung gestellt wird und dass der Sensor beziehungsweise dessen Entkopplungsmaterial direkt an ein Fahrzeugteil angebracht werden kann. Das Entkopplungsmaterial wirkt dann auch schwingungsdämpfend gegenüber dem in der Figur nicht gezeigten Fahrzeugteil.
Beim in der Figur dargestellten Sensor 10 grenzt das Gehäuse 12 in einer orthogonal zur Sensorlängsachse liegenden Ebene 26 an die freie Oberfläche 22 des Entkopplungsmaterials 20 an. Die freie Oberfläche des Gehäuses 12 liegt dabei ebenfalls in dieser Ebene 26.
Aus der Figur wird ferner deutlich, dass der sich an die aktive Fläche 18 und/oder die Membrane 16 anschließende Bereich 28 der freien Oberfläche 22 des Entkopplungsmaterials im Wesentlichen senkrecht zur Sensorlängsachse 24 verläuft. Wie bereits erwähnt, ist dieser Bereich 28 um den Wert x gegenüber dem Bereich 25 der aktiven Fläche 18 zurückversetzt.
Wie aus der Figur ferner deutlich wird, verjüngt sich der radial außen liegende und an das Entkopplungsmaterial 20 angrenzende Bereich 30 der aktiven Fläche 18 geringfügig. Der bezüglich einer orthogonal zur Sensorlängsachse verlaufenden Ebene gemessene Neigungswinkel α beträgt dabei ca. 30°. Zwischen dem die Verjüngung aufweisenden Bereich 30 und dem senkrecht zur Längsachse verlaufenden Bereich 25 der aktiven Fläche 18 ist eine Verrundung 32 vorgesehen, deren Radius ca. 0,5 mm beträgt.
Insbesondere aufgrund des um den Betrag x zurückversetzten Entkopplungsmaterials 20, der Verjüngung der aktiven Sensorfläche 18 im radial außen liegenden Bereich 30 sowie der Rundung 32 kann eine vorteilhafte Lackierung der aktiven Fläche sowie des Entkopplungsmaterials 20 erfolgen.

Claims

Ultraschallsensor (10) umfassend eine schwingfähige Sensormembrane (14) mit einer aktiven Sensorfläche (18) und ein Gehäuse (12), wobei wenigstens abschnittsweise zwischen dem Gehäuse (12) und der Membrane (14) ein Entkopplungsmaterial (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmaterial (20) aus Silicon-Harnstoff-Copolymeren, vorzugsweise Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren, ausgewählt ist.
Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (14) aus einer Aluminium-Legierung gebildet ist, die zumindest an der aktiven Fläche (18) eine Acrylbeschichtung aufweist.
Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Acrylbeschichtung im Bereich von 30 bis 45 μm liegt.
Ultraschallsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche (18) und die zwischen dem Gehäuse und der aktiven Fläche liegende Oberfläche (22) des Entkopplungsmaterials (20) eine ein- oder mehrlagige Lackschicht aufweist.
Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Lackschicht kleiner als 145 μm ist.
Ultraschallsensor (10) umfassend eine schwingfähigen Sensormembrane (14) mit einer aktiven Sensorfläche (18) und ein Gehäuse (12), wobei wenigstens abschnittsweise zwischen dem Gehäuse (12) und der Membrane (14) ein Entkopplungsmaterial (20) vorgesehen ist, auch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der im Bereich der Sensorlängsachse (24) liegende Oberflächenbereich (26) der aktiven Fläche (18) das an die Membrane (14) und/oder an die aktive Fläche (18) angrenzende Entkopplungsmaterial (20) in Richtung der Sensorlängsachse wenigstens geringfügig (x), insbesondere um 0,1 mm bis 0,5 mm und insbesondere um etwa 0,3 mm überragt.
Ultraschallsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der freien Oberfläche liegendes Entkopplungsmaterial (20) das Gehäuse (12) in Richtung der Sensorlängsachse (24) zur aktiven Fläche (18) hin überragt (y).
Ultraschallsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) in einer orthogonal zur Sensorlängsachse liegenden Ebene (26) an die freie Oberfläche (22) des Entkopplungsmaterials (20) angrenzt.
Ultraschallsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der an die aktive Fläche (18) und/oder die Membrane (16) anschließende Bereich (28) der freien Oberfläche (22) des Entkopplungsmaterials im wesentlichen orthogonal zur Sensorlängsachse (24) verläuft.
Ultraschallsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außen liegende und/oder an das Entkopplungsmaterial (20) angrenzende Bereich der aktiven Fläche (18) eine Verjüngung (30) aufweist.
Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Verjüngung (30) bzgl. einer orthogonal zur Sensorlängsachse (24) verlaufenden Ebene (26) im Bereich von 20° bis 40° liegt und insbesondere etwa 30 ° beträgt.
Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangbereich zwischen dem die Verjüngung (30) aufweisenden Bereich und dem senkrecht zur Längsachse verlaufenden Bereich (25) der aktiven Fläche eine Rundung (32) aufweist.
Ultraschallsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmaterial (20) durch Umspritzen auf die Membrane (14) aufgebracht ist.
Entkopplungsmaterial (20) für einen Ultraschallsensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur mechanischen Entkopplung der schwingfähigen Sensormembrane (14) gegenüber dem Sensorgehäuse (12) und/oder einem Fahrzeugteil, ausgewählt aus Silicon-Harnstoff-Copolymeren, vorzugsweise Polydimethylsiloxan-Harnstoff-Copolymeren.
Verfahren zur Lackierung der aktiven Fläche (18) und der zwischen dem Gehäuse (12) und der aktiven Fläche (18) liegenden Oberfläche des Entkopplungsmaterials (22) eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Reinigen der Oberfläche der aktiven Sensorfläche (18) und des daran angrenzenden, zu lackierenden Entkopplungsmaterials (22, 28) derart, dass die Oberflächenaktivität des Entkopplungsmaterials (20) nicht negativ beeinflusst wird); b) Aufbringen einer Grundiermittelschicht, einer Basislackschicht und/oder einer Klarlackschicht auf die gereinigte Oberfläche.