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Stand der Technik
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Insbesondere aus Automotive-Anwendungen ist bekannt, mittels Pulsechoverfahren einen Abstand zu einem Objekt zu erfassen. Eine Vorgehensweise ist es, mittels eines Ultraschallwandlers Abtastpulse auszusenden, die Echos wieder zu empfangen und aus der Laufzeit eine Abstandsberechnung vorzunehmen, wobei als Wandlerelement ein Piezoelement verwendet wird.
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Derartige Ultraschallwandler werden innerhalb von Abstandssensoren in der Verkleidung eines Kraftfahrzeugs montiert, um beispielsweise Einparkhilfen oder Kollisionswarnungssysteme zu realisieren.
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Die Piezoelemente werden insbesondere zum Empfang der Ultraschallechos verwendet, wobei von dem Piezoelement Spannungen von wenigen Mikrovolt erzeugt werden. Bei einer derartigen Signalstärke führen auch geringe elektromagnetische Störungen zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Signalqualität.
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Ferner sind beispielsweise aus
DE 102 61 033 A1 Anschlussstrukturen bekannt, die auf mehradriger Verkabelung beruhen, wobei dies jedoch komplexe Schritte bei der automatisierten Herstellung mit sich bringt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallwandler und einen Abstandssensor zu ermöglichen, die gleichermaßen störungsresistent und auf einfache Weise herzustellen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Ultraschallwandler nach Anspruch 1, durch den Abstandssensor nach Anspruch 10 und das Verfahren nach Anspruch 11.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler und der erfindungsgemäße Abstandssensor lassen sich mit einfachen automatisierten Schritten herstellen. Insbesondere werden auf einfache Weise zu handhabende Komponenten verwendet, die zudem kostengünstig sind. Weiterhin kann die Erfindung durch einfache Modifikation bestehender Vorrichtungselemente realisiert werden. Schließlich sind der erfindungsgemäße Ultraschallwandler und der erfindungsgemäße Abstandssensor mechanisch stabil, insbesondere gegenüber Vibrationen.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler weist einen metallischen Membrantopf auf, an dessen vorderer Stirnseite ein Piezoelement befestigt ist. Es wurde von den Erfindern erkannt, dass insbesondere die Verbindung zwischen dem Piezoelement und einer Verarbeitungsschaltung für die Signalqualität kritisch ist. Ferner wurde von den Erfindern erkannt, dass der Innenraum des Membrantopfs selbst gegenüber elektromagnetischer Strahlung ausreichend geschützt ist, während die Führung der Leitungen außerhalb des Membrantopfs kritisch für die Signalqualität ist. Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept ist es daher, die Fläche zwischen den Leitungen insbesondere außerhalb des Membrantopfs so gering wie möglich zu halten, so dass Störfelder in Form von wechselnden Magnetfeldern nur ein geringes oder ein zu vernachlässigendes Störsignal in den Leitungen induzieren. Daher wird die Fläche zwischen den Leitungen verringert, indem die Strecke der Leitungen außerhalb des Membrantopfs minimiert ist, der Abstand zwischen den Leitungen minimiert ist, oder sowohl die Strecke als auch der Abstand minimiert sind. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass dadurch der magnetische Fluss von magnetischen Störfeldern aufgrund der minimierten Fläche ebenso minimiert ist.
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Die Erfindung betrifft daher einen Ultraschallwandler mit einem Piezoelement, einem Membrantopf und einer Leiterplatte, wobei das Piezoelement an einer vorderen Innenfläche des Membrantopfs befestigt ist. Der Ultraschallwandler weist eine vorzugsweise metallische Membran auf, die an einer vorderen Stirnseite des Membrantopfs angeordnet ist. Die vordere Stirnseite ist an einer zur Leiterplatte entfernt gelegenen Position vorgesehen. Die Piezokeramik des Piezoelement ist auf der Membran befestigt, insbesondere an der zum Innenraum des Membrantopfs gerichteten Seite der Membran, die sich an der vorderen Stirnseite befindet. An der vorderen Stirnseite bildet der Ultraschallwandler eine sensitive Sensorfläche, die insbesondere der Fläche der Membran entspricht, die von der Leiterplatte abgewandt ist. Das Piezoelement und die Membran bilden eine akustische Einheit. Die Membran kann einteilig mit dem Membrantopf ausgebildet sein oder form- oder kraftschlüssig mit diesem verbunden sein. Das Piezoelement ist ferner über mindestens zwei Leitungen mit Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden, die das Piezoelement von der Leiterplatte akustisch isolieren.
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Die erfindungsgemäße Minimierung von elektromagnetischen Störsignalen wird erreicht, indem die Signalanschlussstellen der Leiterplatte auf einem Abschnitt der Leiterplatte vorgesehen sind, die in den Membrantopf hineinragt. Mit anderen Worten befinden sich die Signalanschlussstellen der Leiterplatte innerhalb des Membrantopfs. Die Signalführung ausgehend von den Signalanschlussstellen auf der Leiterplatte kann mit besonders geringer Störanfälligkeit vorgesehen werden. Hierzu werden beispielsweise die von dem Piezoelement stammenden Signale mittels nahe beieinander liegender Leiterbahnen geführt, wobei diese Leiterbahnen insbesondere übereinander in unterschiedlichen Schichten der Leiterplatte verlaufen können. Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Störanfälligkeit verlaufen die Leitungen mit einem Abstand zueinander, der über im Wesentlichen den gesamten Verlauf der Leitungen geringer ist als die halbe Breite des Piezoelements. Durch die enge Führung der Leitungen wird ebenso die Störanfälligkeit vermindert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass beide vorgenannten Maßnahmen miteinander kombiniert sind. Das Piezoelement ist insbesondere als ein flacher Körper ausgebildet, wobei sich die Breite auf die Hauptstreckungsrichtung des Körpers bezieht. Vorzugsweise ist das Piezoelement eine runde, insbesondere kreisrunde flache Scheibe, wobei die halbe Breite dem Radius der Scheibe entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens zwei Leitungen unmittelbar mit den Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden. Alternativ hierzu können die mindestens zwei Leitungen mit Kontaktelementen eines Kontaktträgers verbunden sein. Über diesen Kontaktträger ist das Piezoelement mit den Signalanschlussstellen der Leiterplatte elektrisch verbunden. Insbesondere können die mindestens zwei Leitungen mit Kontaktstellen der Kontaktelemente verbunden sein, die innerhalb des Membrantopfs liegen. In dem vorgenannten Fall ragen die Kontaktelemente in den Membrantopf hinein.
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Die Leitungen sind jeweils als Drähte oder als einadrige Litzenkabel ausgeführt. Eine Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass mindestens eine der Leitungen von einer äußeren Isolationsschicht umgeben ist. Vorzugsweise sind die Enden der Leitungen von der äußeren Isolationsschicht nicht bedeckt. Besonders bevorzugt sind jedoch die Leitungen als Drähte ausgebildet, die entweder keine Isolationsschicht tragen oder als Isolationsschicht von einer Lackschicht umgeben sind. Die Leitungen sind in ihrer Längsrichtung akustisch isolierend und bilden keine akustische Brücke.
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Der Membrantopf ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt. Dieses Material kann Metall oder eine Legierung sein. Ferner kann das elektrisch leitende Material ein Verbundmaterial sein, das ein Metall oder eine Legierung umfasst. In einer spezifischen Ausführungsform besteht der Membrantopf aus Aluminium. Das elektrisch leitende Material des Membrantopfs ist in Form einer flächenleitenden Leiterstruktur ausgestaltet. Eine derartige Leiterstruktur ist vorzugsweise eine durchgehend leitende Fläche aus elektrisch leitendem Material. In spezifischen Ausführungen kann eine derartige Leiterstruktur ein Gitternetz aus leitendem Material sein, wobei das Gitternetz vorzugsweise engmaschig mit einer Maschenbreite von weniger als 5 mm, 3 mm, 2 mm oder 1 mm vorgesehen ist und das Gitternetz gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen abschirmend wirkt. Als elektrisch leitendes Material wird insbesondere Material mit einer spezifischen Leitfähigkeit von mindestens 106 S/m oder mindestens 104 S/m.
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Das Piezoelement kann ferner eine Elektrodenfläche aufweisen, die mit dem Membrantopf elektrisch verbunden ist. Dadurch ist die Elektrodenfläche mit dem Membrantopf elektrisch verbunden. Die Elektrodenfläche ist vorzugsweise auf Masse gelegt. Dadurch bildet der Membrantopf einen Schutz vor elektromagnetischen Störeinflüssen. Insbesondere ist eine Membrane an der vorderen Stirnseite des Membrantopfs vorgesehen, die mit der Piezokeramik des Piezoelements eine akustische Einheit bildet. Die Membrane ist elektrisch leitend und insbesondere aus Metall oder aus einer Legierung gebildet, um gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen abschirmend zu wirken. Die Membrane schließt den Membrantopf ab. Die Membrane ist mit dem Membrantopf elektrisch verbunden.
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Eine spezifische Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Ausführungsform, bei der der Abschnitt der Leiterplatte, auf dem die Signalanschlussstellen der Leiterplatte ausgebildet sind, als Vorsprung ausgebildet ist. Der Vorsprung weist eine Breite auf, die geringer ist als die lichte Weite des Membrantopfs an einer hinteren Stirnseite des Membrantopfs. Die hintere Stirnseite des Membrantopfs ist der vorderen Stirnseite entgegengesetzt. Der Vorsprung kann ohne Weiteres in den Membrantopf von der hinteren Stirnseite her eingeführt werden, um die Signalanschlussstellen der Leiterplatte näher an das Piezoelement heranzuführen. Die Leiterplatte weist ferner eine Leiterplattenbasis auf, von der sich der Vorsprung weg erstreckt. Die Leiterplattenbasis und der Vorsprung werden von ein und derselben Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplattenbasis und der Vorsprung sind somit einstückig ausgebildet. Die Leiterplattenbasis ist breiter als die lichte Weite des Membrantopfs an der hinteren Stirnseite. Die Leiterplattenbasis ist außerhalb des Membrantopfs angeordnet. Die Leiterplattenbasis und der Vorsprung erstrecken sich in derselben Ebene.
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Eine weitere Ausführungsform, bei der die Leitungen mit einem geringen Abstand zueinander verlaufen, sieht vor, dass der Abstand zwischen den Leitungen nicht größer ist als eine halbe Breite des Piezoelements oder nicht mehr als 3 mm, 2 mm oder 1 mm beträgt. Weiterhin kann der Abstand nicht mehr als eine Elektrodenlückenbreite des Piezoelements einschließlich einer Kontaktstellenbreite des Piezoelements betragen. Die Elektrodenlückenbreite ist die Breite der Elektrodenlücke, die zwischen Elektrodenflächen des Piezoelements besteht. Die Breite dieser Elektrodenlücke ist zum einen durch die Technologie bestimmt, mit der die Piezokeramik und die Elektrode hergestellt werden, zum anderen durch die Ansteuerspannungen für die Piezokeramik. Ist die Elektrodenlücke zu klein, kann es zu Spannungsdurchbrüchen zwischen den Elektroden kommen. Die Kontaktstellenbreite ergibt sich außerdem noch durch die Dicke des Drahtes und durch die verwendete Kontakttechnik und beträgt üblicherweise nicht mehr als 0,25 mm, nicht mehr als 0,5 mm oder nicht mehr als 1 mm.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Leitungen zwischen der vorderen Stirnseite und den Signalanschlussstellen zueinander parallel verlaufen. Die Leitungen sind mit unterschiedlichen Elektrodenflächen des Piezoelements an Kontaktstellen der Elektrodenfläche verbunden, die durch eine Elektrodenlücke getrennt sind. Hierbei liegen sich die Kontaktstellen, an denen die Leitungen auf den jeweiligen Elektrodenflächen des Piezoelements angeordnet sind, an der Elektrodenlücke gegenüber.
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Vorzugsweise liegen alle Kontaktstellen des Piezoelements auf einer Seite des Piezoelements. Hierbei liegen die Kontaktstellen, über die alle Leitungen mit dem Piezoelement verbunden sind, auf ein und derselben Seite. Die Kontaktstellen liegen insbesondere auf der Seite des Piezoelements, welche der Leiterplatte zugewandt ist. Diese Seite des Piezoelements, auf der alle Kontaktstellen angeordnet sind, ist dem Inneren des Membrantopfs zugewandt. An der vorderen Stirnseite des Membrantopfs befindet sich somit eine Außenseite des Piezoelements, die keine Kontaktstellen trägt, insbesondere die Membran des Ultraschallwandlers.
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Eine weitere Ausführungsform des Ultraschallwandlers sieht vor, dass die Leitungen mit der Leiterplatte und/oder mit dem Piezoelement über Thermokompressionsschweißkontakte, über Lötkontakte oder über andere stoffschlüssige Kontakte elektrisch verbunden sind. Die Kontaktstellen auf den Elektrodenflächen des Piezoelements werden somit durch Kontakte ausgebildet, die durch Löten oder durch Thermokompressionsschweißen ausgebildet sind. Weiterhin sind die mindestens zwei Leitungen unmittelbar mit den Signalanschlussstellen der Leiterplatte über Kontaktstellen verbunden, die durch Thermokompressionsschweißen, durch Löten oder durch andere stoffschlüssige Verbindungstechniken erzeugt werden. Ferner können die zwei Leitungen mit Kontaktelementen eines Kontaktträgers über Kontaktstellen verbunden sein, die auf den Kontaktelementen des Kontaktträgers liegen und die ebenso mittels Thermokompressionsschweißen, Löten oder mittels anderer stoffschlüssiger Verbindungstechniken erzeugt werden. Als weitere stoffschlüssige Verbindungstechnik geeignet zur Ausführung der Erfindung ist beispielsweise das Widerstandsschweißen zu nennen. Die sich ergebenden stoffschlüssigen Kontakte werden als Widerstandsschweißkontakte bezeichnet.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die Leiterplatte in einer Längsrichtung verläuft, die der Erstreckungsrichtung des Membrantopfs und/oder der Erstreckungsrichtung der Leitungen entspricht. Insbesondere kann der Membrantopf eine Längsachse aufweisen, die in der Leiterplatte liegt. Ferner kann die Leiterplatte jedoch radial zu der Längsachse des Membrantopfs versetzt sein, so dass die Leiterplatte parallel zu der Längsachse des Membrantopfs verläuft. Schließlich können auch die Kontaktelemente des Kontaktträgers gemäß der Erstreckungsrichtung des Membrantopfs verlaufen. Hierbei erstrecken sich die Kontaktelemente zumindest abschnittsweise parallel zu der Längsachse des Membrantopfs, wobei sich ferner ein Kontaktelement eines Kontaktträgers zumindest abschnittsweise entlang der Längsachse des Membrantopfs erstrecken kann. Die Erstreckungsrichtung entspricht insbesondere der Richtung, in der die Längsachse des Membrantopfs verläuft.
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Der Membrantopf weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, kann jedoch auch andere Querschnitte aufweisen. Insbesondere ist der Querschnitt des Membrantopfs entlang der Längserstreckung des Membrantopfs konstant, so dass die Seitenwand des Membrantopfs zylindrisch ausgebildet ist. Um gewünschte akustische Effekte zu erreichen, kann das Innere des Membrantopfs zumindest teilweise mittels eines akustischen Dämpfungsschaums ausgeschäumt sein. Insbesondere ist ein innerer Abschnitt des Membrantopfs mit einem akustischen Dämpfungsschaums ausgefüllt, der an das Piezoelement unmittelbar angrenzt. Ferner wird akustischer Dämpfungsschaum verwendet, um den Membrantopf akustisch gegenüber der Leiterplatte zu isolieren und um die Leiterplatte gegenüber dem Membrantopf örtlich zu fixieren.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Abstandssensor, der zur Befestigung in einer Kraftfahrzeugverkleidung eingerichtet ist. Hierzu kann ein äußeres Befestigungselement vorgesehen sein. Der Abstandssensor umfasst den hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler. Der Abstandssensor umfasst ferner einen akustischen Dämpfungsring. Der Abstandssensor umfasst zudem ein Gehäuse. Der Membrantopf des Ultraschallwandlers ist über den Dämpfungsring mit dem Gehäuse verbunden. Der Dämpfungsring, insbesondere aus akustisch isolierendem Dämpfungsschaum, isoliert den Membrantopf gegenüber dem Gehäuse in akustischer Hinsicht und fixiert den Membrantopf gegenüber dem Gehäuse örtlich. Die vordere Stirnseite des Membrantopfs ragt aus dem Gehäuse heraus. Die Positionsangaben „hinten“ und „vorne“ betreffen den Membrantopf in Längserstreckung, wobei die Positionsangabe „hinten“ eine Position nahe an der Leiterplatte betrifft und die Positionsangabe „vorne“ eine zur Leiterplatte entfernt gelegene Position betrifft.
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Auf der Leiterplatte, insbesondere auf der Leiterplattenbasis, ist eine Signalaufbereitungsschaltung vorgesehen, die Anschlüsse für das Piezoelement aufweist. Mit diesen Anschlüssen sind die Leitungen verbunden, insbesondere über Leiterbahnen der Leiterplatte. Hierbei sind die Anschlüsse der Signalaufbereitungsschaltung mit den Signalanschlussstellen über Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden, wobei die Leiterbahnen vorzugsweise nicht mehr als 1 mm oder 2 mm voneinander seitlich beabstandet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Leiterbahnen, an die die Signalanschlussstellen der Leiterplatte angeschlossen sind, übereinander liegen und nur von einer Isolationsschicht getrennt sind, die eine Schicht der Leiterplatte bildet. Die Leiterbahnen sind somit vorzugsweise durch Leiterschichten vorgesehen, die in oder auf der Leiterplatte planparallel zueinander verlaufen. Auf der Leiterplatte kann ferner eine Sendeschaltung eingerichtet zur Erzeugung eines elektrischen Pulssignals vorgesehen sein, die mit den Anschlüssen für das Piezoelement verbunden ist, um das Piezoelement mit dem elektrischen Pulssignal anzusteuern.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, insbesondere eines hierin beschriebenen Ultraschallwandlers. Das Verfahren umfasst die Schritte: Vorsehen eines Piezoelements, einer Leiterplatte und eines Membrantopfs. Diese Komponenten entsprechen vorzugsweise den hierin beschriebenen Komponenten. Die Leiterplatte wird mit Signalanschlussstellen versehen, beispielsweise durch lithographische Ätzverfahren. Das Piezoelement wird an einer vorderen Stirnseite des Membrantopfs befestigt. Hierbei wird eine Einheit aus der Piezokeramik des Piezoelements und einer Membran an der vorderen Stirnseite des Membrantopfs gebildet, indem die Piezokeramik und die Membran miteinander verklebt werden, insbesondere an einer Seite der Membran, die dem Inneren des Membrantopfs zugewandt ist. Das Piezoelement wird über mindestens zwei Leitungen mit den Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden, insbesondere durch ein Schweißverfahren, beispielsweise durch ein Thermokompressionsschweißverfahren oder ein Widerstandsschweißverfahren. Der vorgenannte Schritt des Verschweißens wird insbesondere ausgeführt, nachdem die Leitungen elektrisch mit dem Piezoelement verbunden werden, beispielsweise durch Löten oder durch ein Schweißverfahren wie es vorangehend genannt ist. Das Vorsehen der Leiterplatte umfasst das Bereitstellen der Signalanschlussstellen der Leiterplatte auf einem Abschnitt der Leiterplatte, der in das Innere des Membrantopfs eingeführt wird. Die Leiterplatte wird gegenüber dem Membrantopf fixiert, insbesondere mittels einer akustisch isolierenden Verbindung, beispielsweise durch Verschäumen mit einem akustisch isolierenden Dämpfungsschaum. Alternativ werden die Leitungen an den Signalanschlussstellen befestigt, wobei durch das Befestigen die Leitungen mit einem Abstand zueinander geführt werden, der über im Wesentlichen den gesamten Verlauf der Leitungen geringer als der Radius des Piezoelements ist. Durch das Führen der Leitungen werden diese wie vorangehend beschrieben zueinander angeordnet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers innerhalb eines erfindungsgemäßen Abstandssensors und
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die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers innerhalb eines erfindungsgemäßen Abstandssensors
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler mit einem Piezoelement 10, eine Leiterplatte 20 und einem Membrantopf 30. An einer vorderen Stirnseite 32 des Membrantopfs 30 ist das Piezoelement 10 eingeklebt, vorzugsweise mittels einer Membrane, die nach dem Einkleben mit dem Piezoelement 10 eine Einheit bildet. Die Leiterplatte 20 trägt zwei Signalanschlussstellen 22, die als Flächenleiter vorgesehen sind. Die Signalanschlussstellen 22 sind auf einem Abschnitt 24 der Leiterplatte 20 angeordnet, der in den Membrantopf 30 hineinragt. Der Abschnitt 24 ist als Vorsprung der Leiterplatte 20 ausgebildet. Das Piezoelement 10 ist über zwei Leitungen 40, 42 mit den Signalanschlussstellen 22 verbunden.
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Das Piezoelement 10 umfasst Elektrodenflächen 12, 14, zwischen denen eine Elektrodenlücke mit einer Elektrodenlückenbreite 16 ausgebildet ist. Auf den unterschiedlichen Elektrodenflächen 12, 14 des Piezoelements 10 sind Kontaktstellen 50, 52 ausgebildet, über die die Leitungen 40, 42 mit den Elektrodenflächen 12, 14 verbunden sind. In gleicher Weise befinden sich auf den Signalanschlussstellen 22 Kontaktstellen 54, 56, über die die Leitungen 40, 42 mit den Signalanschlussstellen 22 der Leiterplatte verbunden sind. Es ist ersichtlich, dass die Kontaktstellen 50, 52 nur um die Elektrodenlückenbreite 16 voneinander getrennt sind und so nahe wie möglich nebeneinander liegen. In gleicher Weise sind die Signalanschlussstellen 22 der Leiterplatte 20 nur geringfügig voneinander beabstandet, beispielsweise mit einem Abstand, der der Elektrodenlückenbreite 16 entspricht. Dadurch verlaufen die Leitungen 40, 42 mit einem geringen Abstand parallel zueinander, beispielsweise ungefähr 1 mm oder weniger.
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Die Leiterplatte 20 umfasst einen Abschnitt 24, der in den Membrantopf 30 hineinragt und sich durch die hintere Stirnseite 34 hindurch erstreckt. Dieser Abschnitt 24 ist als ein Vorsprung der Leiterplatte 20 ausgebildet, wobei eine damit einteilig ausgebildete Leiterplattenbasis 26 breiter ausgebildet ist als der Membrantopf 30. Der Abschnitt 24 der Leiterplatte 20 ist jedoch schmaler als die innere Breite des Membrantopfs 30 ausgebildet. Auf der Leiterplattenbasis 26 befindet sich eine Signalaufbereitungsschaltung 28, die über Leiterbahnen mit den Signalanschlussstellen 22 verbunden ist. Die Leiterbahnen bilden eine schematisch dargestellte elektrische Verbindung 60.
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Der in 1 dargestellte Abstandssensor umfasst ferner ein Gehäuse 70 sowie einen Dämpfungsring 72, über den das Gehäuse mit einer umfänglichen Außenseite des Membrantopfs 30 verbunden ist. Sowohl das Gehäuse 70 als auch der Dämpfungsring 72 sind lediglich schematisch dargestellt. Der Dämpfungsring ist vorzugsweise aus einem elastischen Material ausgebildet, um Vibrationen akustisch zu dämpfen, insbesondere aus akustischem Dämpfungsschaum.
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In der 1 ist eine erste Leitungsführung mit durchgezogener Linie dargestellt, bei der zwei Leitungen 40, 42 nur um die Elektrodenlückenbreite 16 voneinander beabstandet sind und in diesem Abstand auch mit den jeweiligen Signalanschlussstellen 22 der Leiterplatte 20 über die Kontaktstellen 54, 56 verbunden sind. Mit gestrichelter Linie ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der zwei Leitungen 40’, 42’ über Kontaktstellen 51 und 52 mit Elektrodenflächen 12, 14 des Piezoelements 10 verbunden sind. Fertigungsbedingt weisen die Kontaktstellen 51 und 52 einen größeren Abstand zueinander auf. Dennoch wird eine geringe Störanfälligkeit erreicht, da der gestrichelt dargestellte Abschnitt 24’ der Leiterplatte 20 in den Membrantopf 30 hineinragt. Auf diesem Abschnitt 24’ befinden sich zwei Kontaktstellen 54’, 56’, die über eine elektrische Verbindung (nicht dargestellt) mit der Signalaufbereitungsschaltung 28 verbunden sind. Auch die Kontaktstellen 54’, 56’, über die Leitungen 40’, 42’ mit der Leiterplatte 20 verbunden sind, weisen einen relativ großen Abstand zueinander auf, insbesondere im Vergleich zum Abstand zwischen den Kontaktstellen 54 und 56. Dennoch ist eine geringe Störanfälligkeit gewährleistet, da die Kontaktstellen 54’, 56’ innerhalb des Membrantopfs 30 vorgesehen sind und die elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktstellen 54’ und 56’ einerseits und der Signalaufbereitungsschaltung 28 andererseits durch Leiterbahnen vorgesehen werden können, die einen deutlich geringeren Abstand voneinander aufweisen, beispielsweise einen Abstand von nicht mehr als 3 mm, 2 mm, oder 1 mm.
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Aus der Betrachtung der Signalführung zwischen den Kontaktstellen 50, 52 einerseits und den Kontaktstellen 54, 56 andererseits ist ersichtlich, dass dadurch automatisch die Leitungen 40 und 42 einen geringen, minimalen Abstand zueinander aufweisen. Aus der Betrachtung der 1 ist daher zuerkennen, dass die erfindungsgemäße minimale Störungsanfälligkeit auch dann erreicht wird, wenn sich die Kontaktstellen 54 und 56 außerhalb des Membrantopfs 30 befinden würden und somit ein Abschnitt der Leitungen 40, 42 sich außerhalb des Membrantopfs 30 befinden würde. Da in einem derartigen Abschnitt der Abstand zwischen den Leitungen 40 und 42 minimiert ist, ergibt sich auch eine minimale Fläche zwischen den Leitungen außerhalb des Membrantopfs 30, die für elektromagnetische Störungseinflüsse empfänglich wäre.
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Die Leitungen 40, 40’ und 42 sind akustisch isolierend. Ferner ist die Leiterplatte 20 gegenüber dem Membrantopf 30 akustisch isoliert, beispielsweise mittels eines akustischen Dämpfungsmaterials, insbesondere ein Schaummaterial.
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In der 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abstandssensors dargestellt, der einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler umfasst. Komponenten der 1 entsprechen denjenigen Komponenten der 2, welche bis auf eine führende Eins das gleiche Bezugszeichen wie in der 1 aufweisen. Der Abstandssensor von 2 umfasst ein Piezoelement 110 mit Elektrodenflächen 112, 114. Die Elektroden sind über eine Elektrodenlücke mit einer Elektrodenlückenbreite 116 voneinander beabstandet. Der in 2 dargestellte Ultraschallwandler umfasst ferner einen Membrantopf 130 mit einer vorderen Stirnseite 132. An dieser Stirnseite erstreckt sich eine Membrane, die mit der Piezokeramik des Piezoelements eine akustische Einheit bildet. Ferner umfasst die Ausführungsform von 2 eine Leiterplatte 120, die lediglich schematisch dargestellt ist. Auf der Leiterplatte 120 ist eine Signalaufbereitungsschaltung 128 angeordnet.
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Innerhalb des Membrantopfs 130 sind Leitungen 140, 142 angeordnet, die an einem Ende über Kontaktstellen 150, 152 mit den Elektrodenflächen 112, 114 verbunden sind. Das entgegengesetzte Ende der Leitungen 140, 142 ist über Kontaktstellen 184, 186 mit Kontaktelementen 180, 182 verbunden. Die Kontaktelemente 180, 182 sind Teil eines Kontaktträgers 190, der Anschlusselemente 192, 194 umfasst. Die Anschlusselemente 192, 194 sind über schematisch dargestellte Verbindungen, die vorzugsweise innerhalb des Kontaktträgers 190 verlaufen, mit den Kontaktelementen 180, 182 verbunden. Eine weitere, schematisch dargestellte elektrische Verbindung verbindet die Anschlusselemente 192, 194 mit der Leiterplatte 120 und somit mit der Signalaufbereitungsschaltung 128. Die Verbindung zwischen den Anschlusselementen 192, 194 und der Leiterplatte 120 kann eine geschirmte Leitung sein. Insbesondere kann die Verbindung zwischen den Anschlusselementen 192, 194 und der Leiterplatte 120 eine Steckverbindung umfassen. Die Verbindung zwischen den Anschlusselementen 192, 194 und der Leiterplatte 120 kann eine akustisch koppelnde Verbindung sein, wohingegen die Leitungen 140, 140’, 142 und 142’ akustisch isolierend sind.
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Eine Leitungsführung, die eine Alternative zu der Leitungsführung der Leitungen 140, 142 darstellt, ist mit gestrichelter Linie dargestellt. Hierbei verbinden die Leitungen 140’ und 142’ die Elektrodenflächen 112, 114 über Kontaktstellen 152, 151 mit den Kontaktelementen 180, 182. Hierbei ist die Leitung 140’ über eine Kontaktstelle 151 mit der Elektrodenfläche 112 verbunden, die relativ weit von der Kontaktstelle 152 liegt, welche die Leitung 142’ mit der Elektrodenfläche 114 verbindet. Da jedoch die Leitungen 140’, 142’ noch innerhalb des Membrantopfs 130 mit den jeweiligen Kontaktelementen 180’, 182’ verbunden sind, sind die Leitungen 140’, 142’ durch den Membrantopf 130 vor Störeinflüssen geschützt. Ferner ist in 2 dargestellt, dass die Kontaktelemente 180’, 182’ mit den Anschlusselementen 192, 194 verbunden sind, wobei diese Verbindung durch eine schematisch dargestellte, gestrichelte elektrische Verbindung vorgesehen wird. Es ist ersichtlich, dass trotz des großen Abstands zwischen den Leitungen 140’, 142’ die Signalübertragung von dem Piezoelement 110 zu dem Kontaktträger geschützt ist, da die Leitungen 140’, 142’ über ihre gesamte Länge innerhalb des Membrantopfs verlaufen.
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Der in 2 dargestellte Ultraschallwandler ist teilweise innerhalb eines Abstandssensors vorgesehen, der neben dem Ultraschallwandler ferner einen akustischen Dämpfungsring 172 und ein Gehäuse 170 umfasst. Das Gehäuse 170 bildet, wie auch in 1 dargestellt, einen Innenraum, in dem die Leiterplatte 120 sowie ein hinterer, dem Piezoelement abgewandter Abschnitt der Halterungshülse 130 vollständig untergebracht ist. Insbesondere umgreift das Gehäuse die Kontaktträger 190 vollständig, vorzugsweise in umfänglicher Richtung des Membrantopfs 130. Der Membrantopf 130 ist auf einer Seite offen, um die Leiterplatte 120 einführen zu können. Nach dem Positionieren der Leiterplatte 120 relativ zum Membrantopf 130 wird der Membrantopf 130 mit einem Vergussmaterial vergossen und gehärtet. In dem Membrantopf 130 kann daher ein Vergussmaterial vorgesehen sein, das den Membrantopf verschließt und den Membrantopf 130 und die Leiterplatte 120 relativ zueinander befestigt. Alternativ oder in Kombination hiermit kann ein Deckel vorgesehen sein, der nach dem Positionieren der Leiterplatte 120 in dem Membrantopf 130 gefügt wird und den Membrantopf 130 verschließt.
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Die Kontaktelemente 180, 182 sind vollständig innerhalb des Membrantopfs 130 vorgesehen, so dass auch diese gegenüber Störeinflüssen geschützt sind. Dies gilt ebenso für die Kontaktelemente 180’, 182’ der gestrichelt dargestellten Ausführungsform.
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Der Kontaktträger 190 ist über eine akustische Isolation mit dem Membrantopf 130 verbunden oder bildet selbst eine akustische Isolation. Eine derartige akustische Isolation wird durch akustische Dämpfungselemente vorgesehen, die den Membrantopf 130 akustisch isolieren. Es bestehen keine akustische Brücken, d.h. schallübertragende Verbindungen, zwischen dem Membrantopf 130 und der Leiterplatte 120 oder zwischen dem Membrantopf 130 und dem Gehäuse 170. Der Kontaktträger 190 ist mit der Leiterplatte starr verbunden; diese Verbindung umfasst insbesondere elektrische Verbindungen. Elektrische Verbindungen zwischen der Leiterplatte 120 und dem Piezoelement 110 sind akustisch isolierend und umfassen insbesondere Litzendraht. Derartige Verbindungen sind insbesondere die Leitungen 140, 140’ und 142, welche akustisch isolierend ausgebildet sind.
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Ausgehend von den Leitungen 140, 142 und den Kontaktelementen 182, 180 des Kontaktträgers 190 ist ersichtlich, dass die Kontaktstellen 184, 186 auch außerhalb des Membrantopfs 130 liegen können, ohne dass sich eine hohe Störanfälligkeit ergibt. Dies wird erreicht, indem zwischen den Leitungen 140, 142 als auch zwischen den Kontaktelementen 180, 182 ein möglichst geringer Abstand liegt, d.h. ein Abstand, der im Wesentlichen der Elektrodenlückenbreite 116 entspricht, inklusive einer zusätzlichen Kontaktstellenbreite, die beispielsweise der Breite der Kontaktstellen 150, 152 entspricht. Der Kontaktträger 190 kann ferner Befestigungselemente aufweisen, die den Kontaktträger 190 mit dem Gehäuse 170 verbinden.
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Schließlich kann das Gehäuse 70 bzw. 170 an einer Innenseite des Gehäuses Befestigungselemente aufweisen, mit denen die Leiterplatte 20 bzw. 120 mit dem Gehäuse 70 bzw. 170 verbunden wird.
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Die in 2 dargestellten Kontaktelemente 180, 182 können insbesondere Kontakthülsen sein, in die hinein sich die zugehörigen Enden der Leitungen 140, 142 erstrecken. Der Kontakt zwischen den Leitungen 140, 142 und den Kontaktelementen 180, 182 wird durch einen Presssitz bzw. eine Quetschverbindung vorgesehen, indem die als Kontakthülsen ausgeführten Kontaktelemente 180, 182 gequetscht werden. Alternativ sind die oben beschriebenen Kontaktvarianten möglich, d.h. Thermokompressionskontakte, Lötkontakte oder andere stoffschlüssigen Kontakte, insbesondere Widerstandsschweißkontakte, um die von dem Piezoelement abgewandten Enden der Leitungen 140, 142 mit den Kontaktelementen zu verbinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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