DE102013022047A1

DE102013022047A1 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102013022047A1
Application number: DE102013022047.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Ludwig; Wolfgang Katzenberger; Stefan Triebl; Hans-Wilhelm Wehling; Karl-Heinz John; Oliver Eidel
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Ein Ultraschallsensor (1) umfasst ein Gehäuse (2) und eine Membran (4), an der ein Piezoelement (6) befestigt ist, und einen elektrischen Anschlussbereich (8) mit einem Masseanschluss (24). Zwischen der Membran (4) und dem Piezoelement (6) ist eine Schicht aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet, und die Membran (4) ist elektrisch leitend mit dem Masseanschluss (24) verbunden, wobei zwischen der Membran (4) und dem Gehäuse (2) ein Entkopplungselement (17) angeordnet ist, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Solche Ultraschallsensoren werden in Kraftfahrzeugen als Komponenten von Parkhilfesystemen verwendet. Die Ultraschallsensoren dienen zur Abstandsmessung von Hindernissen, wobei die Ultraschallsensoren Ultraschallsignale ausstrahlen und an Hindernissen in der Nähe des Kraftfahrzeuges reflektierte Signale empfangen. Aus der Laufzeit des Signals kann der Abstand des Ultraschallsensors zu einem Hindernis bestimmt werden.
Aus der DE 10 2005 056 607 A1 ist ein Ultraschallsensor bekannt, der ein Gehäuse mit einem als Membran wirkenden Bodenabschnitt aufweist. Ein piezoelektrischer Vibrator ist an einer Innenfläche des Bodenabschnittes, welche in das Innere des Gehäuses gerichtet ist, befestigt. Der piezoelektrische Vibrator weist eine erste Elektrode an einer Befestigungsfläche des Vibrators auf, die an dem Bodenabschnitt befestigt ist, sowie eine zweite Elektrode an einer gegenüberliegenden Fläche des Vibrators. Zwischen der ersten Elektrode und dem Bodenabschnitt ist ein elektrisch leitendes Bauteil vorgesehen. Hierbei ist der Vibrator auf der einen Seite an eine Wechselspannung angeschlossen, und die andere Seite ist mit Masse verbunden.
Es ist außerdem bekannt, das Piezoelement mittels eines elektrisch leitenden Klebers an der Membran zu befestigen, was bezüglich der Funktion dem elektrisch leitenden Bauteil zwischen Vibrator und Bodenabschnitt entspricht.
Die DE 10 2005 045 306 A1 beispielsweise offenbart ein Entkopplungsmedium deren Oberflächen zumindest abschnittsweise mit einer metallischen Beschichtung versehen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der bezüglich seiner Herstellungskosten und/oder Qualität verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann einfacher und in besserer Qualität gefertigt werden. Die Massenanbindung der Membran vermeidet Störsignale, die das Empfangen reflektierter Ultraschallsignale beeinflussen könnten. Zwischen der Membran und dem Gehäuse ist ein Entkopplungselement (insbesondere auch Stopfen genannt) aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Insbesondere ist das ganze Entkopplungselement bzw. dessen Material elektrisch leitfähig. Insbesondere wird die Massenanbindung der Membran über (unter anderem) das Entkopplungselement zum Masseanschluss bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Material des Entkopplungselements Kohle, beispielsweise Kohlefasern, Kohlengranulat oder Kohlenstaub, insbesondere besteht ein Versatz des Materials daraus. Dies ist besonders kostengünstig.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung umfasst das Material des Entkopplungselements elektrisch leitfähig beschichtetes Glas, beispielsweise elektrisch leitfähig beschichtete Glaskugeln oder Glasstücke, insbesondere silberbeschichtet, insbesondere besteht ein Versatz des Materials daraus.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Material des Entkopplungselementsteilweise Silber, insbesondere Silberflax, insbesondere besteht ein Versatz des Materials daraus.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Material des Entkopplungselements elastisch ist. Auf diese Weise wird stets eine gute Anlage des Entkopplungselements mit entsprechenden Kontaktflächen erreicht, unabhängig von Maßtoleranzen oder Maßänderungen infolge von Temperatureinwirkungen. Als bevorzugt wird ein Entkopplungselementaus einem Gummi oder Silikon mit einem elektrisch leitfähigem Versatz (auch Füllstoff genannt) eingesetzt. Insbesondere kann der Versatz aus Kohle, elektrisch leitfähig beschichtetes Glas und/oder Silber sein, wie oben erwähnt. Dabei dient das Gummimaterial oder Silikonmaterial auch zum Entkoppeln von Schall und der elektrisch leitfähige Versatz als elektrischer Leiter. Die Shore-Härte des Materials des Entkopplungselements, insbesondere mit dem Versatz, beträgt vorzugsweise etwa A ~ 50.
Gemäß einer Ausführung weist das Material des Entkopplungselementseinen spezifischen Widerstand, insbesondere auf der Oberfläche, im Bereich von 1 bis 50 Ohm cm auf, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Ohmcm, insbesondere etwa 11 Ohm cm. Dies wird insbesondere durch den Versatz ermöglicht
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die Membran integraler Teil eines Membrantopfes, der an dem Gehäuse befestigt ist und der vorzugsweise an seiner der Membran abgewandten Seite einen radialen Flansch aufweist. Zur Anbringung des Membrantopfes am Gehäuse ist es vorteilhaft, dass an dem Gehäuse ein radialer Flansch und ein zum Membrantopf gerichteter Stutzen ausgebildet sind, die zur Aufnahme des Flansches am Membrantopf dienen. Zur besseren Kontaktierung für die Verbindung mit einem Masseanschluss ist es zweckmäßig, dass der Flansch eine Stirnseite mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und/oder einer Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, wobei diese Stirnseite an dem Entkopplungselement anliegt. Durch das Material und die flächige Anlage ist stets guter Kontakt gegeben. Das elektrisch leitende Material kann beispielsweise in einem flüssig-chemischen Prozess aufgetragen werden bzw. die elektrisch leitende Oberfläche kann so gebildet werden.
Vorzugsweise ist in dem Gehäuse ein durch dieses verlaufender Ausleger angeordnet, der als elektrischer Leiter zwischen der Membran und einem Massekontakt dient. Weiter ist es zweckmäßig, dass der Ausleger endseitig als ein Kontaktelement ausgebildet ist, das unter den radialen Flansch des Gehäuses ragt, wobei es an einer Stirnseite des Entkopplungselements anliegt und das über den Ausleger mit dem Massesteckkontakt verbunden ist. Der elektrische Anschlussbereich umfasst vorzugsweise einen in einem Stutzen am Gehäuse ausgebildeten Stecker.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist zwischen der Membran und dem Piezoelement eine Schicht aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet. Insbesondere durch diese eindeutige Potentialtrennung zwischen Piezoelement und Membran kann der Ultraschallsensor einfacher und in besserer Qualität gefertigt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung, der Erfindung ist vorgesehen, dass die nicht leitende Schicht ein Lack ist, der an einer Elektrode des Piezoelementes aufgebracht ist. Der Lack ist vorzugsweise temperaturbeständig und hält einer hohen mechanischen Belastung stand. Das Auftragen der isolierenden Schicht aus einem Lack ist kostengünstig auf einfache Weise möglich. Vorzugsweise ist das Piezoelement mittels eines Klebers mit seiner Lackschicht an der Membran befestigt. Der Widerstand zwischen der Membran und dem Masseanschluss sollte möglichst gering sein, insbesondere kleiner als 2 k Ohm.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 einen Längsschnitt durch Bauteile eines Ultraschallsensors im noch nicht zusammengefügten Zustand,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes durch eine Membran mit dem daran befestigten Piezoelement,
3 einen Längsschnitt durch die Bauteile gemäß 1 im zusammengefügten Zustand in einer geänderten Perspektive.
Der Längsschnitt in 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallsensors 1 mit einem an einem Gehäuse 2 befestigten Membrantopf 3. Der Membrantopf 3 weist bezogen auf die in 1 dargestellte Lage an seinem unteren Ende eine Membran 4 auf. Das heißt der Boden des Membrantopfes bildet die Membran bzw. auch Membranboden ganannt. Der Membrantopf 3 weist am oberen Ende einen radial nach außen gerichteten Flansch 5 auf. An der Innenseite der Membran 4 ist ein Piezoelement 6 befestigt. Der radiale Flansch 5 weist eine Stirnseite 7 mit einer Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material auf.
An dem Gehäuse 2 ist ein seitlich hervorstehender Stutzen 8' angeordnet, der zur Aufnahme eines Steckers dient und auf diese Weise einen elektrischen Anschluss 8 bildet. Aus diesem Stutzen 8' sind in das Gehäuse 2 elektrische Leiter zu Steckkontakten 9, 10, 11 geführt. Die Steckkontakte 10, 11 sind für Pluspotential und Minuspotential, und der Steckkontakt 9 ist ein Masseanschluss. Mit diesen Steckkontakten 9, 10 und 11 wird eine in der Zeichnung nicht dargestellte Platine verbunden, die im oberen Bereich des Gehäuses 2 einzusetzen ist. An einem dem Membrantopf 3 zugewandten Ende 12 des Gehäuses 2 befindet sich ein radial nach innen gerichteter Flansch 13, an dem ein zum Membrantopf 3 gerichteter Stutzen 14 angeformt ist. Ausgehend von dem Steckkontakt 9, der einen Massesteckkontakt bildet, ist durch eine Wand des Gehäuses 2 ein vorzugsweise aus einem Flachdraht bestehender Ausleger 15 nach unten zu dem Ende 12 des Gehäuses 2 geführt und endseitig als Kontaktelement 16 so geformt, dass das Kontaktelement unter den Flansch 13 ragt und sich flach unter diesem erstreckt.
Zwischen dem Flansch 12 des Gehäuses 2 und dem Flansch 5 des Membrantopfes 3 ist ein ringförmiges Entkopplungselement 17 (im Folgenden Stopfen 17 genannt) vorgesehen, dessen Außenumfang so bemessen ist, dass er innerhalb des Stutzens 14 am Flansch 13 aufgenommen werden kann. Der Stopfen 17 weist an seiner dem Membrantopf 3 zugewandten Seite einen axialen Wulst 18 auf. Der ganze Stopfen 17 bzw. dessen Material ist elektrisch leitfähig bzw. durchgehend leitend. Der Stopfen 17 besteht aus einem Materialgemisch, und zwar im Wesentlichen aus einem Gummi oder Silikon mit einem elektrisch leitfähigem Versatz, insbesondere Kohleversatz und/oder einem Versatz aus elektrisch leitfähig beschichtetem Glas und/oder Silber. Dabei dient das Gummimaterial oder Silikonmaterial zum Entkoppeln von Schall und der elektrisch leitfähige Versatz als elektrischer Leiter. Beispielsweise kann für die Entkopplung eine Shore-Härte von A ~ 50 gewählt werden. Der spezifische Widerstand beträgt beispielsweise zwischen 1 bis 50 Ohm cm, beispielsweise ungefähr 11 Ohm cm. Die Stirnseiten des Stopfens sind elektrisch angebunden, insbesondere ist die eine Stirnseite mit der Stirnseite 7 des Flanschs 5 und die andere, gegenüberliegende Stirnseite mit dem Kontaktelement 16 elektrisch verbunden.
Die 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes durch die Membran 4 und das daran befestigte Piezoelement 6. Das Piezoelement 6 umfasst zwei Elektroden 19, 20, die mittels in der Zeichnung nicht dargestellten Anschlussleitungen mit der Platine im Gehäuse 2 verbunden sind. Das Piezoelement 6 ist auf der Seite, die der Membran 4 zugewandt ist, im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies die Seite mit der Elektrode 20, mit einer Schicht 21 aus einem elektrisch nicht leitenden Material versehen. Zur Befestigung des Piezoelementes 6 mit der elektrisch isolierenden Schicht 21 dient ein Kleber 22, der auf der Innenseite der Membran 4 aufgetragen ist. Die Schicht 21 kann beispielsweise eine Lackschicht sein.
Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Ultraschallsensor 1 gemäß 1, jedoch im zusammengefügten Zustand der Bauteile und in einer anderen Perspektive. Dadurch ist auch der Stutzen 8' am Gehäuse 2 im Schnitt dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass der Stutzen 8' als Stecker 23 ausgebildet ist und die darin vorgesehenen Kontakte 24, 25 mit den Steckkontakten 9, 10 verbunden sind. Der Kontakt 24 bildet im Stecker 23 den Masseanschluss in Form eines Massepinsteckers. Der ringförmige Stopfen 17 befindet sich innerhalb des Stutzens 14 und ist in guter flächiger Anlage an dem Flansch 13 des Gehäuses 2. Zwischen dem Flansch 13 und dem Stopfen 17 befindet sich das endseitig am Ausleger 15 (1) ausgebildete Kontaktelement 16, das somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Stopfen 17 und dem Steckkontakt 9, bzw. Kontakt 24 im Stecker 23 herstellt, wobei der Kontakt 24 den Masseanschluss bildet. Der Membrantopf 3 liegt mit der elektrisch leitenden Stirnseite 7 des Flansches 5 an der unteren Stirnseite des Stopfens 17, wobei der Wulst 18 den äußeren Rand des Flansches 5 umgibt und an diesem anliegt. Da der Stopfen 17 aus elektrisch leitendem Material ist, ist eine Massenanbindung der Membran 4 bzw. des Membrantopfes 3 über den Stopfen 17, das Kontaktelement 16, den Ausleger 15 (1) zum Kontakt 24 gegeben. Zur sicheren Befestigung des Membrantopfes 3 am Gehäuse 2 und guten Kontaktierung der jeweiligen Anlageflächen und des Kontaktelementes 16 ist vorzugsweise ein in der Zeichnung nicht gezeigter Ring vorgesehen, der hinter den Flansch 5 des Membrantopfes 3 greift und an der Umfangsfläche des Stutzens 14 befestigt ist. Durch die beschriebene Ausführung wird sichergestellt, dass die Membran 4, der Stopfen 17 und das Gehäuse 2 kein Potenzial haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005056607 A1 [0003]
DE 102005045306 A1 [0005]

Claims

Ultraschallsensor (1) mit einem Gehäuse (2) und einer Membran (4), an der ein Piezoelement (6) befestigt ist, und mit einem elektrischen Anschlussbereich (8), der einen Masseanschluss (24) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) elektrisch leitend mit dem Masseanschluss (24) verbunden ist, wobei zwischen der Membran (4) und dem Gehäuse (2) ein Entkopplungselement (17) angeordnet ist, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Entkopplungselements (17) elastisch ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (17) aus einem Gummi oder Silikon mit elektrisch leitfähigem Versatz besteht.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Entkopplungselements (17) Kohle, insbesondere Kohlefasern, umfasst.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Entkopplungselements (17) elektrisch leitfähig beschichtetes Glas umfasst.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Entkopplungselements (17) Silber, insbesondere Silberpartikel, umfasst.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Entkopplungselements (17) einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1 bis 50 Ohm cm aufweist, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 Ohm cm, insbesondere etwa 11 Ohm cm.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) integraler Teil eines Membrantopfes (3) ist, der an dem Gehäuse (2) befestigt ist und dass der Membrantopf (3) an seiner der Membran (4) abgewandten Seite einen radialen Flansch (5) aufweist, und dass an dem Gehäuse (2) ein radialer Flansch (13) und ein zum Membrantopf (3) gerichteter Stutzen (14) ausgebildet sind, die zur Aufnahme des Flansches (5) am Membrantopf (3) dienen, wobei zwischen den Flanschen (5, 13) das Entkopplungselement (17) angeordnet ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (5) eine Stirnseite (7) aufweist, die mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und/oder einer Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material versehen ist und diese Stirnseite (7) an dem Entkopplungselement (17) anliegt.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Gehäuse (2) verlaufender Ausleger (15) als elektrischer Leiter zwischen der Membran (4) und einem Massesteckkontakt (9) vorgesehen ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (15) endseitig als ein Kontaktelement (16) ausgebildet ist, das unter den radialen Flansch (13) des Gehäuses (2) ragt, wobei es an einer Stirnseite des Entkopplungselements (17) anliegt und das über den Ausleger (15) mit dem Massesteckkontakt (9) verbunden ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran (4) und dem Piezoelement (6) eine Schicht (21) aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitende Schicht (21) ein Lack ist, der an einer Elektrode (20) des Piezoelementes (6) aufgebracht ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (6) mittels eines Klebers (22) mit seiner Lackschicht (21) an der Membran (4) befestigt ist.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschlussbereich (8) einen in einem Stutzen (14) am Gehäuse (2) ausgebildeten Stecker (23) umfasst.