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Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Verwendung eines Ultraschallsensors.
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Stand der Technik
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Ein Einsatzgebiet für Ultraschallsensoren sind zum Beispiel Fahrassistenzsysteme in Kraftfahrzeugen. Bei diesen wird mit den Ultraschallsensoren der Abstand zu das Kraftfahrzeug umgebenden Objekten bestimmt. Hierzu wird vom Ultraschallsensor ein Schallpuls gesendet, der von einem Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs reflektiert wird. Das so reflektierte Echo wird empfangen und aus der Laufzeit des Schalls wird die Entfernung zu dem Objekt bestimmt.
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Ultraschallsensoren, wie sie beispielsweise zur Entfernungsmessung zu Objekten in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, weisen üblicherweise eine Membran, beispielsweise in Form eines Membrantopfs auf, die mit einem Schallwandler in Schwingungen versetzt werden kann. Als Schallwandler wird üblicherweise ein Piezo-Element verwendet. Der Membrantopf ist mit einem Gehäuse verbunden, mit dem der so montierte Ultraschallsensor zum Beispiel in einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs montiert wird. Um einen definierten Schallpuls senden zu können befindet sich üblicherweise zwischen der als Membrantopf ausgestalteten Membran und dem Gehäuse ein Entkopplungsring, durch den Schwingungen gedämpft werden. Hierdurch wird die Übertragung von Schwingungen auf das Gehäuse und damit das Kraftfahrzeugteil, in dem der Ultraschallsensor montiert ist, reduziert oder vermieden.
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Derartige Ultraschallsensoren können als Sender, als Empfänger oder als kombinierte Sender und Empfänger eingesetzt werden. Wenn der Ultraschallsensor als Sender und Empfänger genutzt wird, so wird ein kurzer Schallpuls gesendet, das Ausschwingen der Membran abgewartet und danach das Signal empfangen. Beim Empfangen wird durch die auftreffenden Schallwellen die Membran erneut in Schwingungen versetzt, wodurch im Schallwandler eine Spannung erzeugt wird, die erfasst werden kann.
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Derzeit übliche Gestaltung für Ultraschallsensoren, die einen Membrantopf mit Schallwandler, einen Entkopplungsring und ein Gehäuse aufweisen, sind zum Beispiel in
DE 10 2006 028 213 A1 oder
DE 10 2006 050 037 A1 beschrieben.
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Um insbesondere bei einem als Sender und Empfänger genutzten Ultraschallsensor ein schnelles Ausschwingen der Membran zu erhalten, wird der Membrantopf üblicherweise mit einem dämpfend wirkenden Füllmaterial gefüllt. Das Füllmaterial ist dabei üblicherweise ein Schaum, der erst nach Einbringen in den Membrantopf aufschäumt. Hierbei kann es durch Unterschiede in der Fertigungsgenauigkeit und durch Dosierungsunterschiede beim Aufschäumen dazu kommen, dass das Füllmaterial über die Höhe des Membrantopfes austritt und auch das Gehäuse kontaktiert. Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass Körperschall von der Membran an das Gehäuse durch das Füllmaterial übertragen wird. Diese Schwingungsübertragung durch das Füllmaterial auf das Gehäuse ist jedoch nicht erwünscht.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile wird erfindungsgemäß ein Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen vorgeschlagen, der einen Membrantopf mit einem Schallwandler und ein Gehäuse umfasst, wobei der Membrantopf mit dem Gehäuse lösbar verbunden ist und zwischen Membrantopf und Gehäuse ein Entkopplungsring aufgenommen ist und der Membrantopf mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Erfindungsgemäß weist der Entkopplungsring eine Lippe auf, die so gestaltet ist, dass zwischen Lippe und Gehäuseinnenwand ein Spalt ausgebildet ist und das Füllmaterial in einem von Membrantopf und Lippe am Entkopplungsring umschlossenen Raum aufgenommen ist.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Gestaltung des Entkopplungsrings mit der Lippe, die so gestaltet ist, dass zwischen Gehäuseinnenwand und Lippe ein Spalt ausgebildet ist, wird vermieden, dass auch bei unterschiedlichen geometrischen Abmaßen aufgrund von Fertigungstoleranzen Füllmaterial, mit dem der Membrantopf gefüllt wird, mit dem Gehäuse in Kontakt kommt. Das Füllmaterial verbleibt in dem von Membrantopf und Lippe umschlossenen Raum. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Vermeidung einer ungewünschten Schwingungsübertragung von der Membrane an das Gehäuse der Schalldruck der Sensoren erhöht und die Nachschwingzeit verringert werden kann. Der erhöhte Schalldruck erlaubt eine Messung von größeren Distanzen und die verringerte Nachschwingzeit im Gegenzug die Messung kürzerer Distanzen, da der Abstand zwischen Ende des Sendens eines Signals bis zum Empfangen eines Signals kleiner gewählt werden kann. Zudem lässt sich eine gleichmäßigere Ausschwingzeit realisieren, wodurch definierte Wartezeiten zwischen Sendebetrieb und Empfangsbetrieb des Sensors eingestellt werden können.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass lediglich die Geometrie des Entkopplungsringes geändert wird und dadurch aktuelle Fertigungsprozesse für den Ultraschallsensor beibehalten werden können.
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Da durch den Entkopplungsring eine Schwingungsübertragung vom Membrantopf an das Gehäuse unterdrückt werden soll, wird der Entkopplungsring aus einem dämpfenden Material gefertigt. Als Material zur Herstellung des Entkopplungsrings eignet sich zum Beispiel ein gummielastisches Material. Geeignete gummielastische Materialien sind zum Beispiel natürlicher oder synthetischer Kautschuk oder ein thermoplastisches Elastomer. Bevorzugt ist das gummielastische Material, aus dem der Entkopplungsring gefertigt wird, ausgewählt aus Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Copolymeren (SBR), Polybutadien, Polyisopren, Polychloropren, Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk, Polyisobutylen, Butylkautschuk, Ethlyen-Vinylacetat-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Copolymeren (EPM/EPDM), Silikonen, Silikongelen und Silikonschäumen, beispielsweise Fermasil®. Besonders bevorzugt als Material für den Entkopplungsring sind Ethylen-Propylen-Copolymere, beispielsweise EPM oder EPDM.
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Der Entkopplungsring weist üblicherweise die gleiche Form auf wie der Umfang des Membrantopfs. Im Allgemeinen ist der Entkopplungsring daher rotationssymmetrisch, das heißt kreisförmig gestaltet. Neben einer kreisförmigen Gestaltung ist aber auch jede beliebige andere Gestaltung, beispielsweise als Polygon zum Beispiel mit drei, vier oder sechs Ecken oder auch die Gestaltung in Form einer Ellipse denkbar. Auch jede beliebige andere Form für den Entkopplungsring ist möglich. Bevorzugt ist der Entkopplungsring jedoch rotationssymmetrisch kreisförmig. Da der Entkopplungsring den Membrantopf vollständig umschließt, erstreckt sich die Lippe in axialer Richtung zur Symmetrieachse des Entkopplungsrings. In Abhängigkeit von der Gestaltung des Membrantopfs und des Gehäuses ist es jedoch auch möglich, dass die Lippe zum Beispiel einen Winkel zur Symmetrieachse aufweist. Hierbei kann sich der durch die Lippe seitlich begrenzte Raum zum Beispiel verjüngen oder erweitern. Wesentlich ist lediglich, dass die Lippe das Gehäuse nicht berührt. Bevorzugt ist es, wenn die Lippe in gleicher Richtung ausgerichtet ist wie die Seitenwandungen des Membrantopfs.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Entkopplungsring einen Kontaktbereich auf, in dem der Entkopplungsring mit einer Seite am Membrantopf und mit einer gegenüberliegenden Seite am Gehäuse anliegt, wobei der Entkopplungsring im Kontaktbereich mindestens eine Rippe aufweist. Die Rippe ist dabei vorzugsweise umlaufend gestaltet.
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Durch die vorzugsweise umlaufend gestaltete Rippe im Kontaktbereich ist es möglich, die Steifigkeit des Entkopplungsringes in diesem Bereich herabzusetzen. Durch die geringere Steifigkeit wird weniger Körperschall vom Membrantopf an das Gehäuse übertragen. Durch Erhöhung der Anzahl der Rippen wird die Menge von Lufthohlräumen erhöht und die Steifigkeit des Entkopplungsrings weiter herabgesetzt, sodass dies zu einer weiter verringerten Übertragung von Körperschall vom Membrantopf auf das Gehäuse zur Folge hat.
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Die Höhe der Lippe wird vorzugsweise so gewählt, dass das Füllmaterial, mit dem der Membrantopf gefüllt wird, nicht über die Lippe in den Spalt zwischen Entkopplungsring und Gehäuseinnenwand eindringt. Dabei ist die Höhe der Lippe so zu wählen, dass auch bei unterschiedlichen Abmaßen des durch den Membrantopf und die Lippe gebildeten Raumes aufgrund von Fertigungstoleranzen und einer aufgrund von Fertigungstoleranzen unterschiedliche Menge an Füllmaterial jeweils sichergestellt wird, dass kein Füllmaterial über die Lippe in den Spalt zwischen Entkopplungsring und Gehäuseinnenwand eindringt. Die Höhe der Lippe wird daher vorzugsweise so gewählt, dass bei minimaler Höhe des durch Membrantopf und Lippe gebildeten Raumes und maximaler Füllmenge noch das gesamte Füllmaterial nach dem Aufschäumen im durch Membrantopf und Lippe gebildeten Raum verbleibt und nicht über die Lippe in den Spalt zwischen Lippe und Gehäuseinnenwand eindringt.
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Der Schallwandler, der genutzt wird, um ein Schallsignal zu erzeugen beziehungsweise im Empfangsmodus des Ultraschallsensors ein auf den Sensor auftreffendes Schallsignal zu empfangen, ist vorzugsweise ein Piezowandler. Neben einem Piezowandler ist aber auch jeder beliebige andere, dem Fachmann bekannte Schallwandler einsetzbar. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz eines Piezowandlers, da dieser das Senden von definierten Pulsen erlaubt.
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Das zur Dämpfung im Ultraschallsensor eingesetzte Füllmaterial ist vorzugsweise ein geschlossenzelliger Polymerschaum. Hierbei ist jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Polymerschaum geeignet. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Polymerschaum ein Schaum auf Silikonbasis ist. Ein solcher geschlossenzelliger Polymerschaum auf Siliikonbasis ist zum Beispiel unter dem Handelsnamen Fermasil® der Firma Sonderhoff Chemicals GmbH erhältlich. Neben geschlossenzelligen Schäumen auf Silikonbasis eignen sich jedoch zum Beispiel auch geschlossenzellige Schäume auf Polyurethanbasis.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallsensor eignet sich zum Beispiel als Abstandssensor in einem Fahrassistenzsystem, wobei der Ultraschallsensor in diesem Fall am Fahrzeug angebracht wird und genutzt wird, um den Abstand zu Objekten um das Fahrzeug zu messen. Neben dem Einsatz in Fahrassistenzsystemen kann der erfindungsgemäße Ultraschallsensor auch beispielsweise in führerlosen Transportsystemen genutzt werden.
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Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Ultraschallsensor als Abstandssensor für Fahrassistenzsysteme in Kraftfahrzeugen oder in führerlosen Transportsystemen eingesetzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Figur dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallsensors.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Ultraschallsensor dargestellt.
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Ein Ultraschallsensor 1 umfasst einen Membrantopf 3, der mit einer Überwurfmutter 5 an einem Gehäuse 7 befestigt ist.
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Am Boden 9 des Membrantopfs 3 ist auf der innenliegenden Seite ein Schallwandler 11 montiert. Mit dem Schallwandler 11 werden Ultraschallpulse erzeugt, die den Boden 9 des Membrantopfs 3 in Schwingungen versetzen. Die Schwingungen werden nach außen abgegeben, wodurch ein Schallpuls vom Ultraschallsensor 1 gesendet wird. Der gesendete Schallpuls wird bei Vorhandensein eines Objekts von diesem Objekt reflektiert und das Echo wird vom Boden 9 des Membrantopfs 3 empfangen. Hierdurch wird der Boden 9 des Membrantopfs 3 in Schwingungen versetzt, die auf den Schallwandler 11 übertragen werden. Die Schwingungen werden so vom Schallwandler 11 erfasst und in ein Signal gewandelt. Auf diese Weise kann durch die Schalllaufzeit vom Senden des Signals bis zum Empfangen des reflektierten Echos die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden. Als Schallwandler 11 wird üblicherweise ein Piezoelement eingesetzt.
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Um insbesondere bei Einsatz des Ultraschallsensors 1 als Sender und Empfänger auch kurze Abstände zu Objekten messen zu können, ist es notwendig, die Schwingungen nach dem Senden des Schallpulses schnell abklingen zu lassen. Hierzu ist der Membrantopf 3 vorzugsweise mit einem dämpfend wirkenden Füllmaterial 15 befüllt. Das Füllmaterial 15 ist dabei vorzugsweise ein geschlossenzelliger Polymerschaum, vorzugsweise ein geschlossenzelliger Polymerschaum auf Silikonbasis.
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Um eine Schallübertragung vom Membrantopf 3 an das Gehäuse 7 zu reduzieren oder möglichst auszuschließen ist zwischen dem Membrantopf 3 und dem Gehäuse 7 ein Entkopplungsring 13 aufgenommen. Um auch eine Schallübertragung vom Membrantopf 3 über die Überwurfmutter 5 auf das Gehäuse 7 auszuschließen, liegt die Überwurfmutter 5 ebenfalls am Entkopplungsring 13 und nicht direkt am Membrantopf 3 an.
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Zur Montage weist der Membrantopf einen Bund 17 auf, der vom Entkopplungsring 13 umschlossen wird. Hierbei liegt der Entkopplungsring 13 am Bund 17 an. Mit der Überwurfmutter 5 wird der Entkopplungsring 13 gegen den Bund 17 gepresst und so der Membrantopf 3 mit dem Gehäuse 7 verbunden.
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Damit der Entkopplungsring als solcher wirken kann und die Übertragung von Schwingungen vom Membrantopf 3 an das Gehäuse 7 minimiert werden, ist der Entkopplungsring 13 aus einem dämpfenden Material gefertigt. Als dämpfende Materialien eignen sich insbesondere, wie vorstehend bereits beschrieben, Elastomere. Um die Übertragung von Körperschall vom Membrantopf 3 an das Gehäuse 7 weiter zu minimieren, wird der Entkopplungsring vorzugsweise mit einer geringen Steifigkeit gebildet. Hierzu weist der Entkopplungsring 13 einen Kontaktbereich 19 auf. Im Kontaktbereich 19 liegt der Entkopplungsring 13 mit einer ersten Seite 21 am Membrantopf 3 an. Mit einer der ersten Seite 21 gegenüberliegenden Seite 23 liegt der Entkopplungsring 13 am Gehäuse 7 an.
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Eine Verringerung der Steifigkeit wird erzielt, indem der Kontaktbereich 19 mindestens eine Rippe 25 aufweist. Durch die Rippen ist es möglich, die Wandstärke des Entkopplungsrings 13 zu reduzieren und hierdurch die Steifigkeit herabzusetzen. Die Rippen sind dabei die Bereiche, die am Membrantopf 3 beziehungsweise am Gehäuse 7 anliegen. Hierzu sind die Rippen 25 vorzugsweise umlaufend im Kontaktbereich des Entkopplungsrings 13 gestaltet. Neben einem geraden Verlauf können die Rippen zum Beispiel alternativ auch zickzackförmig oder wellenförmig verlaufen. Die Anzahl der Rippen ergibt sich aus der gewünschten Verringerung der Wandstärke des Entkopplungsrings und der Breite des Bundes 17 am Membrantopf 3. Die verringerte Wandstärke des Entkopplungsrings 13 mit den Rippen 25, die am Membrantopf 3 und am Gehäuse 7 anliegen führt zur Ausbildung von mehreren Lufthohlräumen 28 zwischen Membrantopf 3 und Entkopplungsring 13 beziehungsweise zwischen Entkopplungsring 13 und Gehäuse 7.
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Durch die Reduzierung der Übertragung von Körperschall aufgrund der Herabsetzung der Steifigkeit des Entkopplungsrings ist es möglich, unerwünschte Nebensignale, die sich durch Übertragung an das Gehäuse ergeben, zu minimieren oder auszuschließen.
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Erfindungsgemäß weist der Entkopplungsring 13 weiterhin eine Lippe 27 auf. Die Lippe 27 ist dabei vorzugsweise umlaufend am Entkopplungsring 13 ausgebildet. In einer Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt ist, ist die Lippe in axialer Richtung parallel zu einer Symmetrieachse 29 ausgerichtet. Die Lippe ist dabei so gestaltet, dass ein Spalt 31 zwischen der Lippe 27 und dem Gehäuse 7 gebildet wird. Neben der achsparallelen Ausrichtung der Lippe 27, wie sie in der Figur dargestellt ist, ist es auch möglich, dass die Lippe 27 eine Neigung zur Symmetrieachse 29 aufweist, wobei die Lippe dabei sowohl so geneigt sein kann, dass ein vom Membrantopf 3 und der Lippe 27 umschlossener Raum 33 sich im Bereich der Lippe 27 erweitert oder alternativ auch im Bereich der Lippe 27 verjüngt. Bei einer Erweiterung weist die Lippe mit zunehmender Entfernung vom Membrantopf 3 nach außen weg von der Symmetrieachse 29 und bei einer Verjüngung des Durchmessers des Raumes weist die Lippe 27 mit zunehmender Entfernung vom Membrantopf 3 in Richtung der Symmetrieachse 29.
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Da bei der Montage des Ultraschallsensors der Schallwandler 11 üblicherweise erst nach dem Zusammenbau von Membrantopf 9 und Gehäuse 7 eingesetzt wird und im Allgemeinen durch Verkleben mit dem Membrantopf 9 verbunden wird, ist es notwendig, dass der Durchmesser des Raumes 33 so groß gehalten wird, dass eine Montage des Schallwandlers nach Montage der übrigen Bauteile des Ultraschallsensors 1 noch möglich ist. Nach dem Einsetzen des Schallwandlers 11 und der Montage wird der Raum 33 mit dem Füllmaterial 15 befüllt. Hierzu wird das Füllmaterial 15 vorzugsweise in Form einer Flüssigkeit in den Raum 33 eingebracht, wobei die Flüssigkeit nach dem Einbringen in den Raum 33 aushärtet und dabei aufschäumt. Das Füllmaterial ist üblicherweise ein Material, das nach dem Aufschäumen einen geschlossenzelligen Schaum bildet, bevorzugt auf Silikonbasis. Das Füllmaterial 15 dient dabei zur Dämpfung, damit ein schnelles Ausschwingen nach Senden eines Schallpulses erzielt wird. Um zu vermeiden, dass durch das Füllmaterial 15 Schwingungen an das Gehäuse 7 übertragen werden, ist erfindungsgemäß die Lippe 27 am Entkopplungsring 13 ausgebildet. Dies verhindert, dass das Füllmaterial 15 mit dem Gehäuse 7 in Kontakt kommt. Die Höhe der Lippe 27 wird dabei so gewählt, dass das Füllmaterial 15 nach dem Aufschäumen nicht über die Lippe 27 in den Spalt 31 fließt. Durch die Lippe 27 können Fertigungsunterschiede, die sich beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben, ausgeglichen werden. So ist es zum Beispiel möglich, dass die Höhe der Seitenwandung 35 des Membrantopfs 3 Abweichungen aufgrund der Fertigungstoleranz einnimmt. Auch kann die Füllmenge an aufschäumender Flüssigkeit, die das Füllmaterial 15 bildet, innerhalb von Fertigungstoleranzen variieren. Dies führt jeweils zu einer unterschiedlich hohen Befüllung mit dem Füllmaterial 15. Die Höhe der Lippe 27 wird dabei so gewählt, dass bei minimaler Höhe der Seitenwandung 35 des Membrantopfs 13 und maximaler Menge an Füllmaterial nach dem Aufschäumen kein Füllmaterial 15 über die Lippe 27 in den Spalt 31 gelangt. Hierdurch wird einerseits eine optimale Dämpfung des Schallwandlers 11 nach dem Beenden eines Signals erzielt und zum Anderen vermieden, dass Körperschall über das Füllmaterial 15 vom Schallwandler 11 an das Gehäuse 7 übertragen werden.
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Um die Stabilität der Lippen 27 zu erhöhen, ist es möglich, diese zum Beispiel wellenförmig oder zickzackförmig zu gestalten oder mit Verstärkungsrippen zu versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028213 A1 [0005]
- DE 102006050037 A1 [0005]
