DE102010018993B4

DE102010018993B4 - Ultraschallsensor, zugehöriges Herstellungsverfahren und Umfelderkennungssystem

Info

Publication number: DE102010018993B4
Application number: DE102010018993.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Frischmann; Thomas Jung; Daniel Kuhnle; Hans-Wilhelm Wehling; Uwe Kupfernagel
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2030-05-04
Also published as: DE102010018993A1

Abstract

Ultraschallsensor mit einem piezokeramischen Schwinger (20) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen, welcher an einem Boden (32) eines Resonatortopfes (30) angeordnet ist, wobei zur Bedämpfung Dämpfungsmaterial (10) in den Resonatortopf (30) eingebracht ist,dadurch gekennzeichnet,dass das Dämpfungsmaterial (10) zumindest aus einer flüssigen Komponente (12, 12') und einer festen Komponente (14) aufgebaut ist, wobei die flüssige Komponente (12, 12') nach dem Einbringen in den Resonatortopf (30) in einen festen Zustand übergeht, unddass die feste Komponente (14) aus bereits geschäumten Materialien besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor bzw. Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschallsensors und ein Umfelderkennungssystem mit mindestens einem solchen Ultraschallsensor.
In der Kraftfahrzeugtechnik werden ultraschallbasierende Umfelderkennungssysteme mit mindestens einem Ultraschallsensor bzw. Ultraschallwandler eingesetzt, welcher ein Ultraschallsignal aussendet, welches von einem möglichen Hindernis reflektiert bzw. gestreut und von dem gleichen Ultraschallsensor und/oder von weiteren Ultraschallsensoren empfangen werden kann. Die Ultraschallsensoren sind vorzugsweise in Stoßfängern der Kraftfahrzeuge montiert und somit verschiedenen Umwelteinflüssen wie Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit, Schmutz usw. ausgesetzt, welche eine Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors verändern und damit die Empfindlichkeit des Umfelderkennungssystems herabsetzen.
Um die Empfindlichkeit der Schwingkreise der Ultraschallsensoren bzw. Ultraschallwandler gegen derartige Umwelteinflüsse zu mindern, ist es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 196 01 656 A1 bekannt, einen an einen Resonatortopf angekoppelten piezokeramischen Schwinger eines Ultraschallwandlers, durch im Resonatortopf angeordnetes Dämpfungsmaterial zu bedämpfen. Der beschriebene Ultraschallwandler weist einen aus Silikonschaum bestehenden Dämpfungskörper auf, der durch einen Stopfen unter Vorspannung gegen den piezokeramischen Schwinger und den Boden des Resonatortopfes wirkt. Der in den Innenraum des Resonatortopfes eingelegte Dämpfungskörper füllt diesen in der vollen Querschnittsfläche aus und wird durch die Vorspannung zu Anlage an der gesamten Bodenfläche gebracht, wobei der Dämpfungskörper durch entsprechende zusätzliche Bearbeitung an den Innenraum des Resonatortopfes angepasst wird. Der verbleibende Raum im Resonatortopf wird durch den beispielsweise als elastischer Silikonkörper ausgeführten Stopfen ausgefüllt der mit einer Vergussmasse vergossen und so gegenüber den Seitenwänden des Resonatortopfes fixiert wird. Als nachteilig kann bei dieser Anordnung angesehen werden, dass hier zusätzliche Prozessschritte bei der Fertigung notwendig sind, um den Dämpfungskörper in die gewünschte Form zu bringen und in den Resonatortopf einzubringen. Darüber hinaus ist der überwiegend verwendete Silikonschaum auch ein sehr kostenaufwendiges Material.
Aus der DE 42 30 773 C1 ist ein Ultraschallwandler bekannt, bei dem ein Freiraum im Membrantopf mit einem Dämpfungsmaterial gefüllt ist, das Silikonelastomer und Metalloxid aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor, ein zugehöriges Herstellungsverfahren für einen solchen Ultraschallsensor und ein Umfelderkennungssystem mit mindestens einem solchen Ultraschallsensor anzugeben, welche eine einfache und kostengünstige Bauweise des Ultraschallsensors mit einer guten Dämpfung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 6 unddurch ein Umfelderkennungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weitere die Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass das Dämpfungsmaterial, welches zur Bedämpfung in den Resonatortopf des Ultraschallsensors eingebracht ist, zumindest aus einer flüssigen Komponente und einer festen Komponente aufgebaut ist, wobei die flüssige Komponente nach dem Einbringen in den Resonatortopf in einen festen Zustand übergeht. Ein piezokeramischer Schwinger zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen ist innerhalb des Resonatortopfes am Boden des Resonatortopfes angeordnet. Normalerweise sind feste Materialien inkompressibel und daher zur Dämpfung von Bauteilen ungeeignet. Durch die Verwendung der flüssigen Komponente wird das feste Material mit Füllstoffen versehen, so dass der Materialverbund aus flüssigen und festen Komponenten einen kompressiblen Charakter aufweist. Die feste Komponente besteht beispielsweise aus einem im Wesentlichen kugelförmigen Granulat aus geeigneten Materialen. Der Materialverbund kann einfach ohne weitere Bearbeitungsschritte so in den Innenraum des Resonatortopfes eingebracht werden, dass die volle Querschnittsfläche des Innerraums ausgefüllt ist und gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden können. Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand erfolgt beispielsweise bei Raumtemperatur oder durch einen zusätzlichen Erwärmungs- bzw. Erhitzungsprozess. Durch den Übergang der flüssigen Komponenten in einen festen Zustand wird das optimal an die Form des Resonatortopfes angepasste Dämpfungsmaterial in vorteilhafter Weise ohne weitere Maßnahmen, wie beispielsweise durch einen Deckel, Stopfen usw., in seiner gewünschten Position gehalten. Daher ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine einfache und kostengünstige Bauweise des Ultraschallsensors.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors bildet die feste Komponente den Hauptbestandteil des Dämpfungsmaterials und die flüssige Komponente führt eine Füllfunktion aus. Die flüssige Komponente und die feste Komponente des Dämpfungsmaterials sind beispielsweise so ausgewählt und in den Resonatortopf eingebracht, dass die flüssige Komponente die einzelnen festen Komponenten vollständig umschließt. Alternativ können die flüssige Komponente und die feste Komponente des Dämpfungsmaterials so ausgewählt und in den Resonatortopf eingebracht werden, dass die flüssige Komponente die einzelnen festen Komponenten nur benetzt. Bei der alternativen Ausführungsform bilden sich zwischen den durch die flüssige Komponente benetzten festen Komponenten Hohlräume aus, welche das Dämpfungsverhalten des Dämpfungsmaterials positiv beeinflussen. Um die Benetzung zu verbessern, können die einzelnen festen Komponenten des Dämpfungsmaterials jeweils eine raue Oberfläche aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor besteht die feste Komponente aus bereits geschäumten Materialien. Die feste Komponente des Dämpfungsmaterials besteht beispielsweise aus Kugeln aus Styropor und/oder Blähglas und/oder Keramik. Die flüssige Komponente besteht beispielsweise aus Silikon und/oder Polyurethanmaterial. Es können aber auch vergleichbare Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
Erfindungsgemäße Ultraschallsensoren können beispielsweise in einem Umfelderkennungssystems eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
Gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallsensors der zuvor beschriebenen Art werden die feste Komponente und die flüssige Komponente nach einem Befestigen des piezokeramischen Schwingers auf dem Boden des Resonatortopfes in den Resonatortopf eingefüllt und durch Rütteln gleichmäßig im Resonatortopf verteilt, wobei die flüssige Komponente nach dem Einbringen in den Resonatortopf fest wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die flüssige Komponente und die feste Komponente des Dämpfungsmaterials so ausgewählt und in den Resonatortopf eingefüllt, dass die flüssige Komponente die einzelnen festen Komponenten vollständig umschließt. Alternativ können die flüssige Komponente und die feste Komponente so ausgewählt und in den Resonatortopf eingefüllt werden, dass die flüssige Komponente die einzelnen festen Komponenten nur benetzt, so dass zwischen den benetzten festen Komponenten Hohlräume entstehen, welche das Dämpfungsverhalten des Dämpfungsmaterials positiv beeinflussen.
Der erfindungsgemäße Vorteil bei der Herstellung von Ultraschallsensoren wird somit auf einfache Weise hinsichtlich einer Dämpfung des Resonatortopfes und einer Abdichtung durch die Füllung des Resonatortopfes mit dem zumindest aus festen und flüssigen Komponenten bestehenden Dämpfungsmaterial erreicht. Die Komponenten können am Ende des Herstellprozesses durch eine einfach auszuführende Befülltechnik in den Resonatortopf so eingebracht werden, dass die volle Querschnittsfläche des Innerraums ausgefüllt ist und das Dämpfungsmaterial optimal an die Form des Resonatortopfes angepasst wird. Durch den Übergang der flüssigen Komponente in einen festen Zustand wird das an die Form des Resonatortopfes angepasste Dämpfungsmaterial in vorteilhafter Weise ohne weitere Maßnahmen, wie beispielsweise das Aufbringen eines Deckels, Stopfens usw., in dieser gewünschten Position gehalten, so dass gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden können. Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand erfolgt beispielsweise bei Raumtemperatur oder durch einen zusätzlichen Erwärmungs- bzw. Erhitzungsprozess. Weitere zeitintensive Prozesse, wie das Aushärten oder eine Voralterung, wie bei den bisherigen Anwendungen zum Beispiel mit Silikonschaum, sind nicht mehr notwendig.
Der Herstellungsprozess wird dadurch deutlich einfacher und kostengünstiger, die Durchlaufzeit bei der Montage wird wesentlich kleiner und die Fertigungskosten sind geringer, wobei insbesondere das teure Silikon-Schaum-Material entfällt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
In der Darstellung zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Resonatortopfes eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors,
2 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Dämpfungsmaterials für den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor aus 1, und
3 eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Dämpfungsmaterials für den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor aus 1.

Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, ist im Inneren eines als Membrantopf ausgeführten Resonatortopfes 30 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor 1 ein piezokeramischer Schwinger 20 zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen angeordnet, welcher am Boden des Resonatortopfes 32, beispielsweise durch Kleben befestigt ist. Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, ist zumindest der untere Bereich des Resonatortopfes 30 mit dem piezokeramischen Schwinger 20 über den gesamten Querschnitt des Innenraums mit einem Dämpfungsmaterial 10 ausgefüllt.
Erfindungsgemäß ist das Dämpfungsmaterial 10 zumindest aus einer flüssigen Komponente 12, 12' und einer festen Komponente 14 aufgebaut, wobei die Komponenten 12, 12', 14 des Dämpfungsmaterials 10 durch Rütteln gleichmäßig im Resonatortopf 30 verteilt werden können, und wobei die flüssige Komponente 12, 12' nach dem Einbringen in den Resonatortopf 30 in einen festen Zustand übergeht. Durch den Übergang der flüssigen Komponente 12, 12' in einen festen Zustand wird das an die Form des Resonatortopfes 32 angepasste Dämpfungsmaterial 10 in vorteilhafter Weise ohne weitere Maßnahmen, wie beispielsweise das Aufbringen eines Deckels, Stopfens usw., in dieser gewünschten Position gehalten, so dass gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden können. Die feste Komponente 14 besteht beispielsweise aus einem im Wesentlichen kugelförmigen Granulat aus geeigneten Materialen. Reine Granulate als Schüttgut können unter ungünstigen Umständen von der zu dämpfenden Fläche „fließen“. Bei gefüllten Vergüssen ohne feste Komponenten besteht hingegen die Gefahr, dass Füllstoffe aufschwimmen. In beiden Fällen kann es zu unzureichender Dämpfung kommen. Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial 10 in vorteilhafter Weise vermieden.
Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, bildet die feste Komponente 14 den Hauptbestandteil des Dämpfungsmaterials und die flüssige Komponente 12, 12' führt eine Füllfunktion aus. Die feste Komponente 14 besteht vorzugsweise aus bereits geschäumten Materialien. Zudem kann die feste Komponente 14 beispielsweise aus Kugeln aus Styropor und/oder Blähglas und/oder Keramik bestehen. Die flüssige Komponente 12, 12' kann beispielsweise aus Silikon und/oder Polyurethanmaterial bestehen.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, sind die flüssige Komponente 12 und die feste Komponente 14 des Dämpfungsmaterials 10 bei einem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel so ausgewählt und in den Resonatortopf 30 eingebracht, dass die flüssige Komponente 12 die einzelnen festen Komponenten 14 jeweils vollständig umschließt.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, sind die flüssige Komponente 12' und die feste Komponente 14 des Dämpfungsmaterials 10 bei einem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel so ausgewählt und in den Resonatortopf 30 eingebracht, dass die flüssige Komponente 12' die einzelnen festen Komponenten 14 jeweils nur benetzt, so dass zwischen den benetzten Komponenten 14 Hohlräume 13 bzw. Lufteinschlüsse entstehen, welche das Dämpfungsverhalten des Dämpfungsmaterials 10 verbessern. Um die Benetzung zu verbessern, können die Oberflächen der einzelnen festen Komponenten 14 aufgeraut werden.
Zudem umfasst der Ultraschallsensor 1 weiter eine nicht dargestellte Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen und elektrische Verbindungsleitungen von der Leiterplatte zum piezokeramischen Schwinger 20 und zu einem von außen kontaktierbaren Steckerteil.
Der feuchtigkeitsdichte Verschluss des Ultraschallsensors 1 kann mit einem aufgesetzten Deckel erfolgen, wobei auch noch zwischen dem Deckel und dem innenliegenden Dämpfungsmaterial 10 ein hier nicht gezeigtes Druckelement vorgesehen werden kann. Es ist hierbei auch möglich, dass das Dämpfungsmaterial 10 im Gehäuse des Ultraschallsensors 1 derart überfüllt werden kann, dass nach dem Aufsetzen des Deckels eine mechanische Vorspannung im Ultraschallsensor 1 aufgebaut wird.

Claims

Ultraschallsensor mit einem piezokeramischen Schwinger (20) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen, welcher an einem Boden (32) eines Resonatortopfes (30) angeordnet ist, wobei zur Bedämpfung Dämpfungsmaterial (10) in den Resonatortopf (30) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (10) zumindest aus einer flüssigen Komponente (12, 12') und einer festen Komponente (14) aufgebaut ist, wobei die flüssige Komponente (12, 12') nach dem Einbringen in den Resonatortopf (30) in einen festen Zustand übergeht, und dass die feste Komponente (14) aus bereits geschäumten Materialien besteht.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Komponente (14) den Hauptbestandteil des Dämpfungsmaterials bildet und die flüssige Komponente (12, 12') eine Füllfunktion ausführt.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente (12) und die feste Komponente (14) so ausgewählt und in den Resonatortopf (30) eingebracht sind, dass die flüssige Komponente (12) die einzelnen festen Komponenten (14) vollständig umschließt.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente (12') und die feste Komponente (14) so ausgewählt und in den Resonatortopf (30) eingebracht sind, dass die flüssige Komponente (12') die einzelnen festen Komponenten (14) benetzt.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente (12, 12') aus Silikon und/oder Polyurethanmaterial besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Komponente (14) und die flüssige Komponente (12, 12') nach einem Befestigen des piezokeramischen Schwingers (20) auf dem Boden (32) des Resonatortopfes (30) in den Resonatortopf (30) eingefüllt und durch Rütteln geleichmäßig im Resonatortopf (30) verteilt wird, wobei die flüssige Komponente (12, 12') nach dem Einbringen in den Resonatortopf (30) fest wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente (12) und die feste Komponente (14) so ausgewählt und in den Resonatortopf (30) eingefüllt werden, dass die flüssige Komponente (12) die einzelnen festen Komponenten (14) vollständig umschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente (12') und die feste Komponente (14) so ausgewählt und in den Resonatortopf (30) eingefüllt werden, dass die flüssige Komponente (12') die einzelnen festen Komponenten (14) benetzt.
Umfelderkennungssystem für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch mindestens einen Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.