DE102009040028A1

DE102009040028A1 - Ultraschallwandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE102009040028A1
Application number: DE102009040028A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Gotzig; Uwe Kupfernagel
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: DE102009040028B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (1) mit einer Membran (2) und mit einem elektromechanischen Schwingungsgeber (Piezokeramik 10) zur Schwingungsanregung der Membran (2), der über eine mechanische Verbindung mit der Membran (2) verbunden ist, wobei die mechanische Verbindung elektrisch leitend ausgebildet ist. Um die elektrische Verbindung zwischen Membran (2) und Schwingungsgeber (Piezokeramik 10) zu verbessern, ist der Schwingungsgeber (Piezokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10 genannten Art.
Ein derartiger Ultraschallwandler ist bereits aus der DE 10 2007 043 479 A1 für Abstandswarngeräte von Kraftwagen bekannt. Der bekannte Ultraschallwandler umfasst eine topfförmige Membran aus Aluminium sowie eine Piezokeramik als elektromechanischem Schwingungsgeber, die innenseitig auf den Membranboden geklebt ist. Die Klebeverbindung ist dabei durch einen elektrisch leitenden Kleber hergestellt und stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Membranoberfläche und einem Massekontakt der Pieozokeramik her.
Um dabei eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Klebeverbindung herzustellen, wird in der gattungsgemäßen Druckschrift ein Verfahren zur Entfernung und Neubildung von Oxidschichten auf der Aluminiumoberfläche der Membran vorgeschlagen. Zur zuverlässigen Kontaktierung muss ferner eine gleichmäßige Dicke der Kleberschicht sichergestellt werden. Somit ist die Herstellung der Klebeverbindung verhältnismäßig aufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die elektrische Verbindung zwischen Membran und Schwingungsgeber verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass der Schwingungsgeber formschlüssig mit der Membran verbunden ist, so dass auf eine im Hinblick auf die elektrische Kontaktierung problematische Kleberschicht zwischen Membran und Piezoelement vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden kann.
Die formschlüssige Verbindung ermöglicht insbesondere, dass der Schwingungsgeber mit einer Kontaktfläche unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung einer Kleberschicht, an einem gegenüberliegenden Flächenbereich der Membran anliegt. Durch diese direkte Anlage der Kontaktfläche an der Membran wird eine zuverlässig elektrische leitende Verbindung zwischen Schwingungsgeber und Membran hergestellt. Die Kontaktfläche bildet dabei vorteilhafterweise einen elektrischen Kontaktbereich des Schwingungsgebers, wobei die Membran zumindest bereichsweise aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist und eine elektrische Verbindung zum Anschluss des Schwingungsgebers bildet.
Die formschlüssige Verbindung kann derart ausgebildet sein, dass der Schwingungsgeber passgenau in eine korrespondierende Vertiefung der Membran eingreift. Der Schwingungsgeber kann besonders einfach und zuverlässig in einen zugehörigen Bereich der Membran eingepresst sein.
Die Membran kann als topfförmiges Tiefziehteil ausgebildet sein, wobei der Schwingungsgeber am Boden der topfförmigen Membran angeordnet ist. Dabei kann die Membran vorteilhaft bereits beim Tiefziehvorgang in die Membran eingepresst sein.
Alternativ könnte der Schwingungsgeber aber auch in eine bereits vorhandene Vertiefung der Membran eingepresst werden. Des Weiteren wäre es auch denkbar, zumindest einen Abschnitt des Schwingungsgebers in die Membran einzugießen.
Als Schwingungsgeber kann eine übliche Piezokeramik vorgesehen sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, bei welchem ein elektromechanischer Schwingungsgeber mit einer Membran formschlüssig mechanisch verbunden wird. Die formschlüssige Verbindung wird dabei vorteilhaft durch Einpressen des Schwingungsgebers in einen zugehörigen Bereich der Membran hergestellt.
Die Membran kann besonders kostengünstig durch einen Tiefziehvorgang hergestellt werden, wobei der Schwingungsgeber beim Tiefziehvorgang in den zugehörigen Bereich der Membran eingepresst werden kann. Hierzu kann ein Tiefziehwerkzeug vorgesehen sein, das eine Aufnahme für den Schwingungsgeber aufweist, um diesen beim Tiefziehvorgang in den zugehörigen Bereich der Membran einzupressen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
In der Darstellung zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Ultraschallwandler in vereinfachter Darstellung.
Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch einen Ultraschallwandler 1 zur Verwendung in Abstandswarngeräte von Kraftfahrzeugen. Der Ultraschallwandler 1 umfasst eine Membran 2 mit einem topfförmigen Membrankörper aus Aluminium, wobei der einteilig als Tiefziehteil aus Blech ausgebildete Membrankörper einen Membranboden 3 sowie eine zylindrische Umfangswand 4 aufweist. Auf der Membranoberfläche ist auf der Innenseite des Membranbodens 3 eine kreisförmige Piezokeramik 10 angeordnet, deren Breitseiten 11 und 12 jeweils mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind und Kontaktflächen zum elektrischen Anschluss der Piezokeramik 10 bilden.
Die Piezokeramik 10 bildet einen elektro-mechanischen Schwingungsgeber, welcher sich bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung verformt und dadurch den Membranboden 3 derart in Schwingung versetzt, dass in einem Bereich vor der Membran 2 Ultraschallen erzeugt werden. Bei Auftreffen auf ein Hindernis werden die Ultraschallwellen reflektiert und als Echosignal auf den Membranboden 3 zurückgeworfen, wobei das Echosignal den Membranboden 3 in Schwingungen versetzt und hierdurch an der Piezokeramik 10 eine korrespondierende elektrische Spannung erzeugt. Durch Auswertung dieser elektrischen Spannung und des zeitlichen Abstands zwischen Signal und Echosignal lassen sich vor dem Ultraschallwandler 1 angeordnete Hindernisse und deren Entfernungen ermitteln. Die Erzeugung der elektrischen Spannung und die Auswertung des von der Piezokeramik 10 empfangenen Echosignals erfolgt in an sich bekannter Weise über nicht gezeigte, außerhalb des Membrankörpers angeordnete elektrische Steuerelemente.
Zum elektrischen Anschluss der Piezokeramik 10 an die außerhalb des Membrankörpers angeordneten elektrischen Steuerelemente ist die vom Membranboden 3 abgewandte Breitseite 12 über eine nicht gezeigte elektrische Leitung mit den außerhalb des Membrankörpers angeordneten elektrischen Steuerelementen verbunden. Die dem Membranboden 3 zugewandte untere Breitseite 11 der Piezokeramik 10 ist über die Membran 2 selbst mit den Steuerelementen elektrisch verbunden. Hierzu ist die Membranoberfläche in üblicher und daher nicht gezeigter Weise mit den Steuerelement kontaktiert, während die Breitseite 11 elektrisch leitend am Membranboden 3 anliegt.
Die Piezokeramik 10 greift mit einem unteren Randabschnitt passgenau in eine zugehörige kreisförmige Vertiefung 6 des Membranbodens 3 ein und liegt im Bereich der Vertiefung 6 mit ihrer unteren Breitseite 11 unmittelbar am Membranboden 3 an. Die Schmalseite 13 der Piezokeramik 10 liegt mit einem schmalen unteren Randabschnitt umlaufend an dem die Vertiefung 6 begrenzenden Wandbereich des Membranbodens 3 an und bildet mit dieser somit eine formschlüssige Verbindung. Dabei ist der die Vertiefung 6 begrenzende Wandbereich des Membranbodens 3 in Richtung der Schmalseite 13 der Piezokeramik 10 vorgespannt ist, so dass die Piezokeramik 10 ist mit ihrem unteren Randabschnitt in einer Presspassung in der Vertiefung 6 gehalten ist.
Die beschriebene formschlüssige Verbindung zwischen Pieozokeramik 10 und Membran 2 wird bereits beim Tiefziehen der Membran 2 hergestellt. Hierzu ist ein nicht dargestellte Tiefziehwerkzeug vorgesehen, das in dem den Membranboden 3 erzeugenden Bereich eine Aufnahme für die Piezokeramik 10 aufweist. Die Aufnahme wird dabei durch eine Vertiefung im Tiefziehwerkzeug gebildet, aus welcher die Pieozokeramik 10 mit ihrem in den Membranboden 3 einzupressenden Randabschnitt heraussteht. Bei Herstellen des Ultraschallwandlers 1 wird zunächst die Piezokeramik 10 in die Aufnahme des Tiefziehwerkzeuges eingelegt. Anschließend wird ein Aluminiumblech mittels des Tiefziehwerkzeuges umgeformt, um die topfförmige Membran 2 herzustellen.
Alternativ wäre es auch möglich, zunächst die Membran 2 herzustellen und die Piezokeramik 10 erst in einem daran anschließenden Herstellungsschritt in den Membranboden 3 einzupressen. Dabei wird die Membran 2 vorzugsweise durch einen Tiefziehvorgang hergestellt, wobei beim Tiefziehvorgang bereits die Vertiefung 6 erzeugt wird, in welche die Piezokeramik 10 dann nachfolgend einzupressen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007043479 A1 [0002]

Claims

Ultraschallwandler (1) mit einer Membran (2) und mit einem elektromechanischen Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) zur Schwingungsanregung der Membran (2), der über eine mechanische Verbindung mit der Membran (2) verbunden ist, wobei die mechanische Verbindung elektrisch leitend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) mit einer Kontaktfläche (11) unmittelbar an einem gegenüberliegenden Flächenbereich (3) der Membran (2) anliegt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (11) einen elektrischen Kontaktbereich des Schwingungsgebers (Pieozokeramik 10) bildet, wobei die Membran (2) aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist und eine elektrische Verbindung zum Anschluss des Schwingungsgebers (Piezokeramik 10) bildet.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) passgenau in eine Vertiefung (6) der Membran (2) eingreift.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) in einen zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Piezokeramik 10) am Boden (3) der topfförmig ausgebildeten Membran (2) angeordnet ist
Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) als Tiefziehteil ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) beim Tiefziehvorgang in die Membran (2) eingepresst ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungsgeber eine Piezokeramik (10) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, bei welchem ein elektromechanischer Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) mechanisch mit einer Membran (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) in einen zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) durch einen Tiefziehvorgang hergestellt wird, wobei der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) beim Tiefziehvorgang in den zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst wird.
Tiefziehwerkzeug zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehwerkzeug eine Aufnahme für einen Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) aufweist, um den Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) beim Tiefziehvorgang in den zugehörigen Bereich der Membran (2) einzupressen.