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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors und ein Kraftfahrzeug mit einem Ultraschallsensor.
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Aus der
DE 10 2005 053 973 A1 ist eine Sensorbaugruppe mit einem Gehäuseteil aus Kunststoff und einer elektronischen Schaltung bekannt, die eine Anzahl von Leiterbahnen mit zumindest teilweise elektrisch verbundenen Bauelementen umfasst. Die Leiterbahnen können dabei in einem Deckelteil vorgesehen und als MID-Baueinheit gefertigt sein.
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Aus der
DE 199 01 317 A1 ist ein Sensorgehäuse mit einem Boden- und einem Deckelteil sowie einem Zwischenboden- und Deckelteil angeordneten Basisteil bekannt. Die Sensorelektronik ist im Gehäusedeckel angeordnet.
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Die
DE 10 2009 045 557 A1 zeigt einen Gehäusedeckel mit integrierter Sensorelektronik, wobei das Gehäuse mittels Laserschweißen zusammengefügt wird.
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Ultraschallsensoren werden typischerweise ohne Deckel ausgeführt, was auf Probleme mit unerwünschten Resonanzkörperbildungen zurückzuführen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Nach einem ersten Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor ein in einem Gehäuseteil angeordnetes Wandlerelement und ein Deckelteil, wobei an dem Deckelteil eine elektronische Schaltung angeordnet ist und das Gehäuseteil mit dem Deckelteil verbindbar oder verbunden ist.
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Vorteilhaft wird eine Sensorelektronik für einen Ultraschallsensor im Deckel integriert. Der auf dem Deckelteil angeordnete Teil der elektronischen Schaltung kann sowohl Leiterbahnen umfassen als auch integrierte Schaltelemente, beispielsweise anwendungsspezifische integrierte Schaltelemente (ASIC) oder weitere eingebettete Systeme (enbedded System) welche eingerichtet sind, Überwachungs-, Steuerungs- und/oder Regelfunktionen für das Wandlerelement zu übernehmen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass im Gehäuseteil Sensoren zur Überwachung des Ultraschallsensors angeordnet sind, die mittels Leiterbahnen mit der im Deckelteil angeordneten elektronischen Schaltung elektrisch verbunden sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass eine Stromversorgung des im Gehäuseteil angeordneten Wandlerelements über die im Deckelteil angeordnete elektronische Schaltung erfolgt und/oder dass die im Deckelteil angeordnete elektronische Schaltung eine Ansteuerelektronik des Wandlerelements umfasst.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Deckelteil eine Leiterplatte (PCB, printed circuit board) auf, auf welcher zumindest ein Teil der an dem Deckelteil angeordneten elektronischen Schaltung angeordnet ist. Eine derartige Leiterplatte kann sowohl eine Standardleiterplatte, beispielsweise einseitig als auch zweiseitig bestückt, oder auch eine sogenannte Multilayerplatte sein. Die Leiterplatte ist bevorzugt aus einem isolierenden Trägermaterial gefertigt, auf dem eine oder mehrere Metallschichten aufgebracht sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Teil der elektronischen Schaltung, welcher auf dem Deckelteil angeordnet ist, spritzgegossen gefertigt, d. h. als eine spritzgegossene elektronische Schaltung ausgebildet (MID, molded interconnected device). Durch die Gestaltungsfreiheit der MID-Technik kann beispielsweise eine Miniaturisierung der elektronischen Schaltung erreicht werden, mit dem Vorteil der Materialeinsparung, welche gegenüber beispielsweise einer Leiterplatte erreicht werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuseteil mit dem Deckelteil stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Deckelteil mit dem Gehäuseteil verschweißt ist, um die elektronische Schaltung und das Wandlerelement nach außen beispielsweise gegen Spritzwasser abzudichten. Ein Vorteil der stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ist eine Dämpfungswirkung der Anordnung mit dem Gehäuseteil und dem Deckelteil, welche sich positiv auf das Erzeugen und Messen von Signalen auswirkt.
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Nach einer Ausführungsform weisen das Deckelteil und/oder das Gehäuseteil Kontaktierelemente, beispielsweise Einpresspins, auf. Durch die Kontaktierelemente kann vorteilhaft eine elektrische Kontaktierung der im Deckelteil angeordneten elektronischen Schaltung mit der im Gehäuseteil angeordneten elektronischen Baueinheiten erreicht werden, beispielsweise mit dem Wandlerelement und/oder mit Sensoren zur Überwachung des Ultraschallsensors.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Ultraschallsensors angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst dabei die folgenden Schritte:
- a) Anordnen eines Wandlerelements in einem Gehäuseteil,
- b) Anordnen einer elektronischen Schaltung an einem Deckelteil und
- c) Verbinden des Deckelteils mit dem Gehäuseteil.
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Vor Durchführung des Schrittes c) erfolgt bevorzugt ein Herstellen eines Kontaktes zwischen der elektronischen Schaltung und dem Wandlerelement und/oder Sensoren zur Überwachung des Ultraschallsensors, die in dem Gehäuseteil angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform wird im Schritt c) ein Laserschweißverfahren angewendet. Laserschweißen kann sowohl bei metallischen Gehäuse- und Deckelteilen als auch bei Kunststoffteilen durchgeführt werden, wobei im Falle von Kunststoffteilen thermoplastische Kunststoffe verwendet werden. Ein Vorteil von lasergeschweißten Bauteilen ist der geringe konzentrierte Energieeintrag in das Werkstück und der dadurch entstehende geringe thermisch bedingte Verzug der Bauteile. Da in der Herstellung sowohl das Gehäuseteil als auch das Deckelteil bereits als Fertigbauteil vorliegt, ist das Laserschweißverfahren sehr vorteilhaft. Es wird kein Zusatzwerkstoff benötigt, um das Deckelteil mit dem Gehäuseteil zu verbinden. Durch Laserschweißen können außerdem besonders schmale und schlanke Schweißnahten erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt c) zusätzlich zum Laserschweißen oder alternativ hierzu ein Einpressverfahren angewendet. Hierbei kann entweder der Deckel oder das Gehäuse oder sowohl das Deckelteil als auch das Gehäuseteil Kontaktierelemente aufweisen, so dass eine elektronische Kontaktierung von Elementen elektronischer Schaltungen ermöglicht wird, die auf dem Deckelteil und dem Gehäuseteil angeordnet sind. Weitere Kontaktierelemente können vorgesehen sein, um die Komponenten nach außen zu kontaktieren. Dabei werden die zu verbindenden Teile so hergestellt, dass nach dem Einpressen an den Verbindungsstellen eine Presspassung entsteht, so dass Längs- und Querkräfte kraftschlüssig übertragen werden. Im Gegensatz zum Laserschweißverfahren ist dieses Herstellungsverfahren besonders kostengünstig umzusetzen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird im Schritt b) ein Spritzgussverfahren angewendet. Zur Anordnung der elektronischen Schaltung auf dem Deckelteil kann sowohl ein subtraktiv strukturierendes als auch ein additiv metallisierendes Verfahren angewendet werden, bei denen metallische Leiterbahnen auf spritzgegossene Kunststoffträger aufgetragen werden. Das Spritzgussverfahren kann ein Zweikomponentenspritzgussverfahren sein oder Heißprägen, Maskenbelichtung, Laserstrukturierung und Folienhinterspritzen umfassen.
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Die Erfindung kann insbesondere bei solchen Ultraschallsensoren eingesetzt werden, welche beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs zum Zwecke der Parkassistenz und/oder Kollisionsvermeidung vorgesehen sind. Dabei werden üblicherweise Ultraschallsignale durch ein Medium wie Luft oder Wasser von einem Emitter zu einem Empfänger übermittelt oder von einem Emitter in eine Umgebung übermittelt oder von einem in der Umgebung befindlichen Objekt reflektierte Ultraschallsignale erfasst und die Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenzen und/oder weitere Größen wie beispielsweise Amplituden und Phasen der Ultraschallsignale gemessen. Typischerweise werden dabei Ultraschallsensoren eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen emittieren können, als auch Ultraschallwellen empfangen können. Es kann aber auch vorgesehen sein, die erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren nur als Empfänger oder nur als Sender einzusetzen.
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Insbesondere kann der Ultraschallsensor in einem Ultraschallsystem verbaut sein, welches eine Gruppe von Ultraschallsensoren umfasst, wobei zumindest einer, bevorzugt alle Ultraschallsensoren die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisen. Das Ultraschallsystem kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Teilumgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise können Ultraschallsensoren im Frontbereich zur Erfassung einer vorderseitigen Fahrzeugumgebung und/oder Ultraschallsensoren im Seitenbereich zur Erfassung eines Seitenbereichs des Fahrzeugs und/oder Ultraschallsensoren im Heckbereich zur Erfassung einer rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs jeweils einem derartigen Ultraschallsystem zugeordnet sein. Typischerweise werden hierbei vier bis sechs Ultraschallsensoren in einem Stoßfänger verbaut, wobei nur maximal vier Ultraschallsensoren mit ungefähr derselben Blickrichtung montiert sind. Um insbesondere auch den Bereich neben dem Fahrzeug zu erfassen, werden im vorderen Stoßfänger außerdem Ultraschallsensoren so positioniert, dass sie nach links und nach rechts ihren Erfassungsbereich haben. Zusätzlich oder alternativ können auch im hinteren Stoßfänger Ultraschallsensoren derart positioniert sein, dass diese einen Bereich links und rechts neben dem Kraftfahrzeug erfassen. Das Ultraschallsystem weist darüber hinaus auch eine der jeweiligen Gruppe zugeordnete Steuereinrichtung und eine Signalverarbeitungseinrichtung auf. Um den Seitenbereich des Fahrzeugs zu erfassen, können sowohl seitlich im vorderen und hinteren Stoßfänger verbaute Ultraschallsensoren verwendet werden, als auch solche Ultraschallsensoren, die in einem Seitenspiegel oder in einem Türabschnitt verbaut sind.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Kraftfahrzeug zumindest einen Ultraschallsensor nach einem der beschriebenen Ausführungsformen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt
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1 einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor in Explosionsdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Ultraschallsensor 1 mit einem Gehäuseteil 2 und einem Deckelteil 3, welche stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbindbar sind. Die Verbindung des Deckelteils 3 mit dem Gehäuseteil 2 kann dadurch erfolgen, dass das Deckelteil 3 zunächst auf das Gehäuseteil 2 gepresst wird und eine Anliegekante hiernach durch ein Laserschweißverfahren dichtend verschlossen wird. Das Deckelteil 3 weist eine umlaufende Wand 7 auf, welche bevorzugt passgenau zu dem Kupplungsabschnitt 5 des Gehäuseteils 2 ausgebildet ist. Das Deckelteil 3 weist außerdem eine Oberseite 8 auf, die über die umlaufende Wand 7 hervorsteht. Durch die hervorstehende Oberseite 8 kann mit ausreichender Toleranz bei der Fertigung mittels Laserschweißen ein vom Gehäuseteil 2 und dem Deckelteil 3 umschlossener Innenbereich 19 vollständig gegenüber der Umgebung versiegelt werden.
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Das Gehäuseteil 2 umfasst eine Ultraschallmembran 4, die beispielsweise als ein an sich bekannter Membrantopf ausgeführt ist und die in einer Aufnahmevorrichtung 18 angeordnet ist. Die Aufnahmevorrichtung 18 ist ein Teil des Gehäuseteils 2, welcher darüber hinaus einen Kupplungsabschnitt 5 zur Verbindung mit dem Deckelteil 3 aufweist. Das Gehäuseteil 2 umfasst außerdem ein Steckergehäuse 6, über welches eine Kontaktierung des Ultraschallsensors 1 nach außen erfolgt. Die Kontaktierung umfasst in diesem Fall sowohl eine Stromversorgung der Bauteile, insbesondere der Piezoelektronik und der integrierten Schaltungen, als auch eine Datenleitung, über welche eine Kommunikation mit der im Ultraschallsensor 1 integrierten Elektronik erfolgen kann.
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Das Gehäuseteil 2 weist außerdem eine Rastnase 9 auf, wobei hierdurch lediglich beispielhaft eine Befestigungsvorrichtung des Ultraschallsensors 1 weiteren Bauteilen im Kraftfahrzeug dargestellt ist.
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Im Deckelteil 3 ist eine Leiterplatte 10 angeordnet, die beispielsweise als Printed Circuit Board (PCB) ausgeführt ist. Die Leiterplatte 10 umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 15 (application-specific integrated circuit, ASIC), über welche Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen für den Ultraschallsensor 1 realisiert werden können.
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Die Leiterplatte 10 ist über Leiterbahnen 11 mit Kontaktierelementen 12 verbunden, welche an der umlaufenden Wand 7 angeordnet sind. In 1 sind beispielhaft fünf Kontaktierelemente 12 dargestellt, es können jedoch je nach Anwendungsfall mehr oder weniger als fünf derartige Kontaktierelemente vorgesehen sein. Den fünf Kontaktierelementen 12 im Deckelteil 3 entsprechen fünf Kontaktierelemente 13 im Gehäuseteil 2. Über die Leiterbahnen 11 und die Kontaktierelemente 12, 13, sowie über weitere Leiterbahnen 14 im Kupplungsabschnitt 5 des Deckelteils 2 ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 15 mit nicht dargestellten Aktoren und Sensoren verbunden, welche eingerichtet sind, den Ultraschallsensor 1 zu überwachen oder anzusteuern. Beispielsweise kann aber auch eine elektrische Versorgung oder eine Ansteuerung des Wandlerelements erfolgen, welcher über die Membran 4 Ultraschallsignale sendet und/oder empfängt.
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Die Leiterbahnen 11, 14 können insbesondere als spritzgegossene Leiterbahnen (MID, molded interconnected device) ausgeführt sein, was ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren ermöglicht.
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Das Gehäuseteil 2 weist weiterhin Kontaktbereiche 17 auf, welche zum Steckergehäuse 6 führen. Entsprechend sind Leiterbahnen 16 im Deckelteil 3 vorgesehen, welche Datenleitungen und Versorgungsleitungen für die Leiterplatte 10 bereitstellen und mit den Kontaktbereichen 17 des Gehäuseteils zusammenwirken. Im Steckergehäuse 6 sind bevorzugt weitere Kontaktbereiche vorgesehen, über welche eine unmittelbare Verbindung mit dem Wandlerelement erfolgen kann, das heißt ohne Umwege über das Deckelteil 3.
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Die Erfindung ist nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053973 A1 [0002]
- DE 19901317 A1 [0003]
- DE 102009045557 A1 [0004]
