DE102007049212B4

DE102007049212B4 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE102007049212B4
Application number: DE200710049212
Authority: DE
Inventors: Jürgen Patz; Thomas Merk
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-13
Filing date: 2007-10-13
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2027-10-14
Also published as: DE102007049212A1

Abstract

Ultraschallwandler mit einem aus isolierendem Material bestehenden Gehäuse und einem im Gehäuse gelagerten Piezoelement, wobei die Innenwand des Gehäuses (4) metallisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus weichem Kunststoffmaterial besteht, und dass Segmente des Gehäuses (4) Dichtungselemente bilden, wodurch auf separate Dichtungselemente verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler.
Derartige Ultraschallwandler werden als Elemente zur Aussendung von Ultraschallwellen oder zum Empfang von Ultraschallwellen eingesetzt. Generell weisen diese Ultraschallwandler ein Piezoelement, vorzugsweise in Form einer elektrisch angesteuerten Keramik, auf. Je nach Betriebsart kann die Keramik so angesteuert werden, dass sie in Schwingungen versetzt wird und so Ultraschallwellen emittiert. Weiterhin kann die Keramik auch als Empfangselement eingesetzt werden. Dann wird die Keramik durch auftreffende Ultraschallwellen in Schwingungen versetzt, welche in elektrische Signale umgewandelt werden.
Generell ist das Piezoelement in einem Gehäuse aus isolierendem Material, insbesondere aus Kunststoff untergebracht. Zur elektrischen und elektromagnetischen Schirmung und damit insbesondere als EMV-Schutz ist in das Gehäuse eine metallische Schirmhülse eingebaut. Nach Montage der Schirmhülse am Gehäuse wird das Piezoelement in Form einer Keramik eingebaut. Die Keramik weist Elektroden auf, wobei typischerweise die Schirmhülse über eine Litze mit einer der Elektroden verbunden ist.
Ein Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 296 11 678 U1 bekannt.
Aus der DE 89 06 230 U1 ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines elektroakustischen Wandlers auf einer Leiterplatte bekannt. Der Wandler besteht aus einer Metallmembran in Form einer Piezoscheibe und einem Resonatorgehäuse.
Aus der DE 10 2005 056 607 A1 ist ein Ultraschallsensor bekannt, der ein Innengehäuse aus Kunststoff aufweist, an dessen Boden ein leitfähiger Film angeordnet ist, der einem piezoelektrischen Vibrator zugeordnet ist.
Die DE 199 02 875 C1 betrifft einen Piezoschallwandler, der in eine Badewanne einbaubar ist, wobei über den Körper der Badewanne eine Schallabgabe erfolgt. Der Piezoschallwandler weist ein Gehäuse aus Kunststoff auf. Zur Abdichtung beim Einbau des Wandlers in die Badewanne wird als zusätzliches Dichtungselement eine Ringdichtung benötigt.
In ELRINGKLINGER: Elring – PTFE, Eigenschaften und Anwendungen eines außergewöhnlichen Werkstoffes, 2/2003, Firmenschrift sind Füllstoffe beschrieben, durch welche PTFE eine Weichheit verliehen wird.
Die DE 20 2007 007 135 U1 betrifft einen Ultraschallwandler mit einem zylindrischen, prismatischen oder pyramidenstumpfförmigen, piezoelektronischen Wandlerelement insbesondere einer Piezokeramik und einem topfförmigen Gehäuse mit einer passenden Innenkontur, bei dem der Topfboden als schallabstrahlende Membran wirkt. Das piezoelektrische Wandlerelement koppelt form- und kraftschlüssig radial an die Topfwand an, ohne den Topfboden zu berühren.
Die DE 296 14 691 U1 betrifft einen Ultraschallsensor mit einem Gehäuse aus einem teflon-ähnlichen Kunststoff. An der Außenseite des Gehäuses befindet sich ein Außengewinde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dieser rationell und kostengünstig herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler umfasst ein aus isolierendem Material bestehendes Gehäuse und einem im Gehäuse gelagertes Piezoelement. Die Innenwand des Gehäuses ist metallisiert. Das Gehäuse besteht aus weichem Kunststoffmaterial und Segmente des Gehäuses bilden Dichtungselemente. Das Piezoelement sitzt auf einer Anpassschicht auf, die in einem schwingungsdämpfenden Ring liegend in einer stirnseitigen Öffnung des Gehäuses gelagert ist.
Durch die Metallisierung an der Innenwand des Gehäuses wird eine besonders einfache und rationell herstellbare elektromagnetische Schirmung des Innenraums des Gehäuses, in welchem sich das Piezoelement befindet, realisiert.
Die Metallisierung wird durch Oberflächenbearbeitung, insbesondere Beschichtung, der Innenwand des vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Gehäuses erhalten. Die Metallisierung ist damit Bestandteil der Innenwand, das heißt im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekanntem Ultraschallwandlern wird zur elektromagnetischen Schirmung kein separates Teil wie eine Schirmhülse benötigt. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler zeichnet sich somit durch eine geringere Teileranzahl aus, wodurch dieser kostengünstiger herstellbar ist.
Der Fertigungsaufwand wird weiter dadurch reduziert, dass die Metallisierung zur Ausbildung elektrischer Kontakte lötbar ist. Vorteilhaft kann dann das Gehäuse direkt auf eine Leiterplatte gesteckt werden, wobei die Leiterplatte mit der Metallisierung über Lötverbindungen kontaktiert wird. Diese Baueinheit lässt sich besonders einfach und schnell montieren, wodurch kurze Fertigungszeiten des Ultraschallwandlers erhalten werden.
Erfindungsgemäß besteht das Gehäuse aus weichem, nachgiebigem Kunststoff. Segmente des Gehäuses können dann als Dichtungselemente ausgebildet sein, wodurch erreicht wird, dass bei der Montage des Ultraschallwandlers und bei dessen Integration in ein Sensorgehäuse oder dergleichen auf separate Dichtungselemente verzichtet werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.
2: Querschnittsdarstellung eines an einer Leiterplatte montierten Ultraschallwandlers.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 1. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Piezoelement 2 in Form einer Keramik, die mit leitfähigen Beschichtungen versehen ist, auf. Von der Keramik führen Anschlussleitungen 3 weg, die an nicht dargestellte elektronische Bauelemente angeschlossen sind. Der Ultraschallwandler 1 kann als Ultraschallwellen emittierender Sender betrieben werden. In diesem Fall werden durch die Ansteuerung mit den elektronischen Bauelementen Spannungssignale generiert, mit welchen das Piezoelement 2 in Schwingungen versetzt wird, so dass es Ultraschallwellen emittiert. Alternativ kann der Ultraschallwandler 1 als Ultraschallwellen empfangender Empfänger betrieben werden. In diesem Fall versetzen auftreffende Ultraschallwellen das Piezoelement 2 in Schwingungen, die im Piezoelement 2 in elektrische Signale gewandelt werden die mit den elektronischen Bauelementen ausgewertet werden. Schließlich kann der Ultraschallwandler 1 in einem kombinierten Betriebsmodus sowohl als Sender als auch als Empfänger betrieben werden.
Die Komponenten des Ultraschallwandlers 1 sind in einem Gehäuse 4 integriert, welches im vorliegenden Fall eine hohlzylindrische Form aufweist und aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Kunststoff besteht.
Das Piezoelement 2 sitzt auf einer Anpassschicht 5 auf, die eine stirnseitige Öffnung des Gehäuses 4 abschließt. Die Anpassschicht 5 dient zur Anpassung der Grenzfläche zwischen Piezoelement 2 und der den Ultraschallwandler 1 umgebenden Atmosphäre um eine möglichst effiziente Auskopplung von mit dem Piezoelement 2 generierten Ultraschallwellen in die umgebende Atmosphäre oder eine möglichst effiziente Einkopplung der von außen auf das Piezoelement 2 auftreffenden Ultraschallwellen zu gewährleisten.
Um die Übertragung von Schall, das heißt Schallwellen, vom Piezoelement 2 auf das Gehäuse 4 zu vermeiden, ist die Anpassschicht 5 in einem schwingungsdämpfenden Ring, im vorliegenden Fall einem Schaumstoffring 6, liegend in der stirnseitigen Öffnung des Gehäuses 4 gelagert. Dabei ist die Anpassschicht 5 mit dem Schaumstoffring 6 in einer Nut 7 der Gehäusewand lagefixiert.
Zur elektrischen und elektromagnetischen Schirmung des Gehäuses 4 ist an dessen Innenwand eine Metallisierung 8 vorgesehen. Die Metallisierung 8 ist von einer metallischen Beschichtung gebildet, die sich über die gesamte Fläche der Innenwand erstreckt. Die Metallisierung 8 weist bevorzugt eine homogene Schichtdicke auf.
Der Innenraum des Ultraschallwandlers 1 ist mit einer Vergussmasse 9 befüllt. Mit einer solchen Vergussmasse 9 kann das Schwingungsverhalten des Ultraschallwandlers 1 abgestimmt werden.
2 zeigt eine Erweiterung des Ultraschallwandlers 1 gemäß 1. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Gehäuse 4 auf, dessen oberer Randbereich völlig mit der Metallisierung 8 überzogen ist. Ansonsten entspricht der Ultraschallwandler 1 gemäß 2 der Ausführungsform gemäß 1.
Die oberen metallisierten Randbereiche des Gehäuses 4 bilden lötfähige Kontaktflächen zum elektrischen Anschluss an eine Leiterplatte 10. Auf der Leiterplatte 10 sind insbesondere die zur Ansteuerung des Piezoelements 2 notwendigen elektronischen Bauelemente vorgesehen. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Leiterplatte 10 geeignete Bohrungen auf, in welche die Oberseite des Gehäuses 4 des Ultraschallwandlers 1 eingesteckt werden kann. Zur elektrischen Kontaktierung sind Lötstellen 11 vorgesehen, die an den Kontaktflächen anliegen und so für eine elektrische Kontaktierung mit der Leiterplatte 10 sorgen. Weiterhin sind die Anschlussleitungen 3 des Piezoelements 2 an die Leiterplatte 10 angelötet.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler
2: Piezoelement
3: Anschlussleitung
4: Gehäuse
5: Anpassschicht
6: Schaumstoffring
7: Nut
8: Metallisierung
9: Vergussmasse
10: Leiterplatte
11: Lötstelle

Claims

Ultraschallwandler mit einem aus isolierendem Material bestehenden Gehäuse und einem im Gehäuse gelagerten Piezoelement, wobei die Innenwand des Gehäuses (4) metallisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus weichem Kunststoffmaterial besteht, und dass Segmente des Gehäuses (4) Dichtungselemente bilden, wodurch auf separate Dichtungselemente verzichtet werden kann.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (8) an der Innenwand des Gehäuses (4) von einer metallischen Beschichtung gebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Metallisierung (8) über die gesamte Innenwand des Gehäuses (4) erstreckt.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (8) zur Ausbildung elektrischer Kontakte lötbar ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) in eine Leiterplatte (10) steckbar ist, wobei die Leiterplatte (10) mit der Metallisierung (8) durch Lötverbindungen kontaktierbar ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit diesem Ultraschallwellen aussendbar und/oder empfangbar sind.