DE102009040028B4 - Ultrasonic transducer and method for producing an ultrasonic transducer - Google Patents

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Abstract

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, wobei der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden ist und passgenau in eine Vertiefung (6) der Membran (2) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) als Tiefziehteil ausgebildet ist und die Vertiefung (6) beim Tiefziehvorgang erzeugt worden ist.Ultrasonic transducer (1) with a membrane (2) and with an electromechanical vibration transmitter (piezoelectric ceramic 10) for vibration excitation of the membrane (2), which is connected via a mechanical connection to the membrane (2), wherein the mechanical connection is electrically conductive, wherein the vibration generator (piezoceramic 10) is positively connected to the membrane (2) and precisely fitting in a recess (6) of the membrane (2) engages, characterized in that the membrane (2) is formed as a deep-drawn part and the recess (6) has been produced during the deep-drawing process.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10 genannten Art.The invention relates to an ultrasonic transducer and a method for producing an ultrasonic transducer referred to in the preamble of claim 1 and 10, respectively.

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.Such an ultrasonic transducer is already out of the DE 10 2007 043 479 A1 known for distance warning devices of motor vehicles. The known ultrasonic transducer comprises a pot-shaped membrane of aluminum and a piezoceramic electromechanical vibration generator, which is glued on the inside of the membrane bottom. The adhesive bond is produced by an electrically conductive adhesive and establishes an electrical connection between the membrane surface and a ground contact of the piezoceramic.

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.In order to produce a sufficient electrical conductivity of the adhesive bond, a method for the removal and formation of oxide layers on the aluminum surface of the membrane is proposed in the generic document. For reliable contacting also a uniform thickness of the adhesive layer must be ensured. Thus, the production of the adhesive connection is relatively expensive.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2007 010 500 A1 ein Ultraschallwandler mit direkt eingebettetem Piezo bekannt. Der zur Strömungsmessung vorgesehene Ultraschallwandler umfasst ein piezokeramisches Wandlerelement, das in einen Anpassungskörper aus Polymermaterial eingebettet ist. Zur Herstellung der Einbettung wird der Piezo mit dem Anpassungskörper in Kontakt gebracht, bevor dieser seine Endfestigkeit erreicht hat.Furthermore, from the DE 10 2007 010 500 A1 an ultrasonic transducer with directly embedded piezo known. The ultrasonic transducer provided for flow measurement comprises a piezoceramic transducer element which is embedded in a matching body of polymer material. To make the embedding, the piezo is brought into contact with the matching body before it has reached its final strength.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei einer als Tiefziehteil ausgebildeten Membran die elektrische Verbindung zwischen Membran und Schwingungsgeber verbessert ist.The object of the invention is to further develop an ultrasonic transducer referred to in the preamble of claim 1 such that in a trained as a deep-drawn part of the membrane, the electrical connection between the membrane and vibration generator is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.This object is achieved by the features of claim 1. More embodying the invention in an advantageous manner features include the dependent claims.

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.The advantage achieved by the invention is that the vibration generator is positively connected to the membrane, so that can be completely or at least partially dispensed with a problematic in terms of electrical contacting adhesive layer between the membrane and piezoelectric element.

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.The positive connection allows in particular that the vibration generator with a contact surface directly, d. H. without the interposition of an adhesive layer, abuts against an opposite surface region of the membrane. By this direct contact of the contact surface on the membrane, a reliable electrical conductive connection between the vibration generator and the membrane is produced. The contact surface advantageously forms an electrical contact region of the vibration transmitter, wherein the membrane is at least partially made of electrically conductive material and forms an electrical connection to the connection of the vibration generator.

Die formschlüssige Verbindung ist derart ausgebildet, 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.The positive connection is designed such that the vibration sensor engages accurately in a corresponding recess of the membrane. The vibration generator can be particularly easily and reliably pressed into an associated region of the membrane.

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.The membrane may be formed as a cup-shaped deep-drawn part, wherein the vibration generator is arranged at the bottom of the cup-shaped membrane. In this case, the membrane may advantageously already be pressed into the membrane during the deep-drawing process.

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.Alternatively, the vibrator could also be pressed into an existing depression of the membrane. Furthermore, it would also be conceivable to pour at least a portion of the vibration generator into the membrane.

Als Schwingungsgeber kann eine übliche Piezokeramik vorgesehen sein.As a vibration generator, a conventional piezoceramic may be provided.

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.The invention further relates to a method for producing an ultrasonic transducer, in which an electromechanical vibration generator with a membrane is positively connected mechanically. The positive connection is advantageously produced by pressing the vibration generator in an associated region of the membrane.

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.The membrane can be produced in a particularly cost-effective manner by means of a deep-drawing process, it being possible for the vibration transmitter to be pressed into the associated region of the membrane during the deep-drawing process. For this purpose, a thermoforming tool may be provided which has a receptacle for the vibration generator in order to press it into the associated region of the membrane during the deep-drawing process.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing.

In der Darstellung zeigen:In the illustration show:

1 einen Schnitt durch einen Ultraschallwandler in vereinfachter Darstellung. 1 a section through an ultrasonic transducer in a simplified representation.

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.The 1 shows a simplified representation of a section through an ultrasonic transducer 1 for use in distance warning devices of motor vehicles. The ultrasonic transducer 1 includes a membrane 2 with a cup-shaped membrane body made of aluminum, wherein the one-piece formed as a deep-drawn part of sheet metal membrane body a diaphragm bottom 3 and a cylindrical peripheral wall 4 having. On the membrane surface is on the inside of the membrane bottom 3 a circular piezoceramic 10 arranged, whose broadsides 11 and 12 are each provided with an electrically conductive coating and contact surfaces for electrical connection of the piezoceramic 10 form.

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.The piezoceramic 10 forms an electro-mechanical vibration generator, which deforms upon application of a corresponding electrical voltage and thereby the diaphragm bottom 3 vibrated in such a way that in an area in front of the membrane 2 Ultrasounds are generated. When hitting an obstacle, the ultrasonic waves are reflected and as an echo signal to the diaphragm bottom 3 thrown back, with the echo signal the diaphragm bottom 3 vibrated and thereby on the piezoceramic 10 generates a corresponding electrical voltage. By evaluating this electrical voltage and the time interval between the signal and the echo signal can be in front of the ultrasonic transducer 1 determine obstacles and their distances. The generation of electrical voltage and the evaluation of the piezoceramic 10 received echo signal is carried out in a conventional manner via not shown, arranged outside of the membrane body electrical controls.

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.For electrical connection of the piezoceramic 10 to the outside of the membrane body arranged electrical controls is the membrane bottom 3 opposite broadside 12 connected via an electrical line, not shown, with the outside of the membrane body arranged electrical controls. The membrane bottom 3 facing lower broadside 11 the piezoceramic 10 is over the membrane 2 itself electrically connected to the controls. For this purpose, the membrane surface is contacted in a conventional and therefore not shown manner with the control, while the broadside 11 electrically conductive at the diaphragm bottom 3 is applied.

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.The piezoceramic 10 engages with a lower edge portion fit into an associated circular recess 6 of the membrane bottom 3 and lies in the area of the depression 6 with its lower broadside 11 directly on the bottom of the membrane 3 at. The narrow side 13 the piezoceramic 10 lies with a narrow lower edge portion circumferentially on which the recess 6 delimiting wall region of the membrane bottom 3 and forms with this thus a positive connection. This is the depression 6 limiting wall area of the membrane floor 3 in the direction of the narrow side 13 the piezoceramic 10 is biased so that the piezoceramic 10 is with its lower edge portion in a press fit in the recess 6 is held.

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.The described positive connection between Pieozokeramik 10 and membrane 2 Already during deep drawing of the membrane 2 produced. For this purpose, a deep-drawing tool, not shown, is provided, which is in the membrane bottom 3 generating area a receptacle for the piezoceramic 10 having. The recording is formed by a depression in the deep drawing tool, from which the piezoceramic 10 with her in the membrane floor 3 protruding edge section protrudes. When manufacturing the ultrasonic transducer 1 First, the piezoceramic 10 inserted into the receptacle of the thermoforming tool. Subsequently, an aluminum sheet is formed by means of the deep-drawing tool to the cup-shaped membrane 2 manufacture.

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.Alternatively, it would also be possible to first use the membrane 2 produce and the piezoceramic 10 only in a subsequent production step in the membrane bottom 3 to press. The membrane becomes 2 preferably produced by a deep drawing process, wherein the deep drawing process already deepening 6 is generated, in which the piezoceramic 10 then press in below.

Claims (11)

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, wobei der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden ist und passgenau in eine Vertiefung (6) der Membran (2) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) als Tiefziehteil ausgebildet ist und die Vertiefung (6) beim Tiefziehvorgang erzeugt worden ist.Ultrasonic transducer ( 1 ) with a membrane ( 2 ) and with an electromechanical vibration generator (Pieozokeramik 10 ) for vibrational excitation of the membrane ( 2 ), which via a mechanical connection with the membrane ( 2 ), wherein the mechanical connection is electrically conductive, wherein the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) in a form-fitting manner with the membrane ( 2 ) and fits exactly into a depression ( 6 ) of the membrane ( 2 ), characterized in that the membrane ( 2 ) is formed as a deep-drawn part and the recess ( 6 ) has been produced during the deep drawing process. 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.Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) with a contact surface ( 11 ) directly on an opposite area ( 3 ) of the membrane ( 2 ) is present. 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. Ultrasonic transducer according to claim 2, characterized in that the contact surface ( 11 ) an electrical contact area of the vibration generator (Pieozokeramik 10 ), wherein the membrane ( 2 ) is made of electrically conductive material and an electrical connection to the connection of the vibration generator (piezoceramic 10 ). Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) in einen zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst ist.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration transmitter (piezoceramic 10 ) in an associated region of the membrane ( 2 ) is pressed. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Piezokeramik 10) am Boden (3) der topfförmig ausgebildeten Membran (2) angeordnet ist ausgebildet ist.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration generator (piezoceramic 10 ) on the ground ( 3 ) of the pot-shaped membrane ( 2 ) is arranged. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) beim Tiefziehvorgang in die Membran (2) eingepresst ist.Ultrasonic transducer according to claim 5, characterized in that the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) during the deep drawing process into the membrane ( 2 ) is pressed. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungsgeber eine Piezokeramik (10) vorgesehen ist.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, characterized in that a piezoelectric ceramic ( 10 ) is provided. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, bei welchem ein elektromechanischer Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) mechanisch mit einer Membran (2) verbunden wird, wobei der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) formschlüssig mit der Membran (2) verbunden und passgenau in eine Vertiefung (6) der Membran (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) als Tiefziehteil hergestellt und beim Tiefziehvorgang bereits die Vertiefung (6) erzeugt wird.Method for producing an ultrasonic transducer, in which an electromechanical vibration transmitter (piezoceramic 10 ) mechanically with a membrane ( 2 ), wherein the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) in a form-fitting manner with the membrane ( 2 ) and fitting into a recess ( 6 ) of the membrane ( 2 ), characterized in that the membrane ( 2 ) produced as a deep-drawn part and deep-drawing already deepening ( 6 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) in einen zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst wird.A method according to claim 8, characterized in that the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) in an associated region of the membrane ( 2 ) is pressed. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgeber (Pieozokeramik 10) beim Tiefziehvorgang in den zugehörigen Bereich der Membran (2) eingepresst wird.A method according to claim 9, characterized in that the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) in the deep drawing process in the associated region of the membrane ( 2 ) is pressed. 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.Thermoforming tool for producing an ultrasonic transducer, characterized in that the thermoforming tool is a receptacle for a vibration generator (piezoceramic 10 ), to the vibration generator (Pieozokeramik 10 ) in the deep drawing process in the associated region of the membrane ( 2 ) to squeeze.
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