DE102016205070A1 - ultrasound transducer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen auf einer Leiterplatte (11) befestigbarer piezokeramischer Ultraschallwandler (1). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler (1) der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass er maschinell auf einer Leiterplatte (11) montierbar und dabei kostengünstig ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Ultraschallwandler (1) einen Oszillator (2) aufweist, der in einer Hülse (4) elastomer und elektrisch leitfähig eingebettet ist und die Hülse mittels elektrischer Steckkontakte (9) mit der Leiterplatte (11) zusammensteckbar ist. Dabei ist die der Leiterplatte (11) zugewandte Oberfläche (7) des Oszillators (2) mit der Leiterplatte (11) elektrisch leitend kontaktierbar. Dieser Kontakt ist durch einspritzbare oder vorher aufbringbare elastomere und elektrisch leitfähige Massen (13) noch verbesserbar.The invention relates to a piezoceramic ultrasonic transducer (1) which can be attached to a printed circuit board (11). The invention has the object to improve an ultrasonic transducer (1) of the type described in such a way that it is mechanically mounted on a printed circuit board (11) and thereby inexpensive. This object is achieved in that the ultrasonic transducer (1) has an oscillator (2) which is embedded in a sleeve (4) elastomeric and electrically conductive and the sleeve by means of electrical plug contacts (9) with the circuit board (11) can be plugged together. Here, the printed circuit board (11) facing surface (7) of the oscillator (2) with the circuit board (11) is electrically conductively contacted. This contact is still improved by injectable or previously applied elastomeric and electrically conductive masses (13).

Description

Die Erfindung betrifft einen auf einer Leiterplatte befestigbaren piezokeramischen Ultraschallwandler. The invention relates to a piezoceramic ultrasonic transducer mountable on a printed circuit board.

Ultraschallwandler sind häufig bei Abstandsmessungen, beispielsweise in Luftfedern, aber auch Abstandsmeßanlagen in Fahrzeugen im Einsatz. Sie bestehen meist aus einem scheibenförmigen piezokeramischen Oszillator, einem Anpassungskörper und einem sogenannten „Backing“, der Dämpfungsmasse. Ultrasonic transducers are frequently used for distance measurements, for example in air springs, but also distance measuring systems in vehicles. They usually consist of a disc-shaped piezoceramic oscillator, a matching body and a so-called "backing", the damping mass.

Der scheibenförmige Oszillator wird durch ein elektrisches Feld zu mechanischen Schwingungen angeregt. Da der piezoelektrische Effekt reziprok ist, führen Schwingungen in der Piezokeramik zu einer Verschiebung elektrischer Ladungen. Um den piezokeramischen Oszillator elektrisch zu kontaktieren, sind seine beiden Oberflächen metallisiert. The disc-shaped oscillator is excited by an electric field to mechanical vibrations. Since the piezoelectric effect is reciprocal, vibrations in the piezoceramic lead to a shift of electrical charges. To electrically contact the piezoceramic oscillator, its two surfaces are metallized.

Der Anpassungskörper befindet sich zwischen dem piezokeramischen Oszillator und dem Medium und dient dazu, die Schwingungen des Oszillators an das Medium zu übertragen und umgekehrt (Lambda-Viertel-Anpassung). The adaptation body is located between the piezoceramic oscillator and the medium and serves to transmit the oscillator oscillations to the medium and vice versa (quarter-wave matching).

Aufgrund seiner kristallinen Struktur hat der piezokeramische Oszillator eine hohe Schwingungsgüte. Um die Bandbreite zu erhöhen, befindet sich auf seiner Rückseite eine Dämpfungsmasse, die häufig auch genutzt wird, um den Oszillator zu montieren. Due to its crystalline structure, the piezoceramic oscillator has a high vibration quality. To increase the bandwidth, there is a damping mass on its rear side, which is often used to mount the oscillator.

Gattungsgemäße Ultraschallwandler sind beispielsweise in der DE 196 01 656 A1 oder der DE 198 11 982 A1 offenbart. Generic ultrasonic transducers are for example in the DE 196 01 656 A1 or the DE 198 11 982 A1 disclosed.

Wenn der piezokeramische Oszillator schwingt, überträgt er Schwingungen auf seine elektrischen Anschlüsse. Um die mechanische Kopplung zwischen dem Oszillator und seiner Umgebung möglichst gering zu halten, werden die elektrischen Anschlüsse häufig als extrem dünne Drähte (Bonding) oder als Litzen (Löten) ausgeführt. Diese Arten der elektrischen Kontaktierung sind aufwendig und daher teuer. Außerdem sind für eine automatisierte Montage des gesamten Schallwandlers zusätzliche, stabile Kontakte erforderlich. When the piezoceramic oscillator vibrates, it transmits vibrations to its electrical connections. To keep the mechanical coupling between the oscillator and its environment as low as possible, the electrical connections are often designed as extremely thin wires (bonding) or as strands (soldering). These types of electrical contacting are complex and therefore expensive. In addition, additional, stable contacts are required for automated assembly of the entire transducer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass er maschinell auf einer Leiterplatte montierbar und dabei kostengünstig ist. The invention has for its object to improve an ultrasonic transducer of the type described in such a way that it is mechanically mounted on a circuit board and thereby inexpensive.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Ultraschallwandler folgende Bauteile aufweist, nämlich

  • – einen scheibenförmigen piezoelektrischen Oszillator mit 2 planparallelen Oberflächen,
  • – eine zusätzliche, als Anpassungskörper ausgebildete elektrisch leitfähige Masse,
  • – Kontaktelemente aus leitfähigen elastomeren Werkstoffen und
  • – mit den Kontaktelementen elektrisch leitend verbundene Steckkontakte,
wobei
  • – der scheibenförmige Oszillator an seinen planparallelen Oberflächen metallisiert ist,
  • – der Anpassungskörper aus einem Kunstharz mit eingebetteten Glashohlkugeln und Carbon Nanotubes ausgebildet ist und mit einer der metallisiert in Oberflächen des Oszillators elektrisch leitend verbunden ist,
  • – der Verbund aus Oszillator und Anpassungskörper in einer metallischen Hülse mit einem offenen Boden angeordnet ist, wobei die dem Oszillator abgewandte Seite dem Anpassungskörper elektrisch leitfähig mit dem Boden der Hülse verbunden ist,
  • – die Hülse an ihrem dem Boden abgewandten Ende mindestens 2 Steckkontakte aufweist, die elektrisch leitfähig mit der Hülse verbunden sind,
  • – die Leiterplatte elektrisch leitfähige Befestigungsvorrichtungen aufweist, die mit den Steckkontakten der Hülse elektrisch leitfähig korrespondieren und die eine Bohrung aufweist, die bei eingesetzten Steckkontakten mit dem Oszillator korrespondiert, wobei die der Leiterplatte zugewandte Oberfläche des Oszillators mit der Leiterplatte elektrisch leitend kontaktierbar ist.
This object is achieved in that the ultrasonic transducer comprises the following components, namely
  • A disc-shaped piezoelectric oscillator with 2 plane-parallel surfaces,
  • An additional electrically conductive mass designed as a matching body,
  • - Contact elements made of conductive elastomeric materials and
  • - plug-in contacts electrically connected to the contact elements,
in which
  • The disc-shaped oscillator is metallised on its plane-parallel surfaces,
  • - The matching body is formed of a synthetic resin with embedded glass bubbles and carbon nanotubes and is electrically connected to one of the metalized in surfaces of the oscillator,
  • The composite of the oscillator and the adaptation body is arranged in a metallic sleeve with an open bottom, wherein the side remote from the oscillator is electrically conductively connected to the fitting body with the bottom of the sleeve,
  • - The sleeve has at its end facing away from the bottom of at least 2 plug contacts, which are electrically conductively connected to the sleeve,
  • - The circuit board has electrically conductive fastening devices which correspond electrically conductively with the plug contacts of the sleeve and which has a bore which corresponds with inserted plug contacts with the oscillator, wherein the circuit board facing surface of the oscillator with the circuit board is electrically conductively contacted.

Aufgrund seines einfachen Aufbaus ist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler kostengünstig herstellbar. Die Steckkontakte ermöglichen eine automatisierte Montage des Ultraschallwandlers auf der Leiterplatte. Due to its simple structure of the ultrasonic transducer according to the invention is inexpensive to produce. The plug contacts allow automated mounting of the ultrasonic transducer on the circuit board.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist durch die Bohrung der Leiterplatte eine elektrisch leitfähige elastomere Spritzmasse spritzbar, mittels derer ein Kontakt zwischen der der Leiterplatte zugeordneten Oberfläche des Oszillators mit der Leiterplatte herstellbar ist. In one embodiment of the invention, an electrically conductive elastomeric injection molding compound can be sprayed through the bore of the printed circuit board, by means of which a contact between the printed circuit board associated surface of the oscillator with the circuit board can be produced.

Durch die Verspritzung mit dem elektrisch leitfähigen Material ist eine besonders schwingungsstabile und sichere elektrische Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Oszillator möglich. By the injection with the electrically conductive material, a particularly vibration-stable and secure electrical contact between the circuit board and the oscillator is possible.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die der Leiterplatte zugewandte Oberfläche des Oszillators eine Schicht aus elektrisch leitfähiger elastomerer Masse vorbestimmter Dicke auf, durch die bei eingesteckten Steckkontakten ein elektrischer Kontakt zwischen der Leiterplatte und der der Leiterplatte zugewandten Oberfläche des Oszillators herstellbar ist. In a further development of the invention, the surface of the oscillator facing the printed circuit board has a layer of electrically conductive elastomeric mass of predetermined thickness, through which electrical contact between the printed circuit board and the surface of the oscillator facing the printed circuit board can be produced when plug contacts are inserted.

Die Anordnung einer elastisch leitfähigen elastomeren Schicht ermöglicht eine besonders einfache Montage die ohne Nacharbeit die elektrischen Kontakte sicherstellt. The arrangement of an elastically conductive elastomeric layer allows a particularly simple assembly which ensures the electrical contacts without rework.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der dem Anpassungskörper zugewandten Oberfläche des Oszillators und dem Anpassungskörper eine elektrisch leitfähige elastomere Masse angeordnet. In one development of the invention, an electrically conductive elastomeric mass is arranged between the surface of the oscillator facing the adapter body and the adapter body.

Über diese Masse ist eine besonders gute schwingungstechnische Entkopplung zwischen dem Oszillator und den umgebenden Bauteilen ohne Einschränkung bei der elektrischen Kontaktierung erreichbar. About this mass a particularly good vibration control decoupling between the oscillator and the surrounding components without restriction in the electrical contact can be achieved.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1 in einer Prinzipskizze. With reference to the drawing, an example of the invention will be explained in more detail below. The 1 shows an ultrasonic transducer according to the invention 1 in a schematic diagram.

Der Ultraschallwandler 1 weist einen scheibenförmigen Oszillator 2, einen Anpassungskörper 3 und eine Hülse 4 mit einem offenen Boden 5 auf. Der Oszillator 2 weist eine dem Anpassungskörper 3 zugeordnet Oberfläche 6 und eine dem Anpassungskörper 3 abgewandte Oberfläche 7 auf. Die Oberflächen 6 und 7 sind jeweils metallisiert. Der Anpassungskörper 3 ist aus einem elektrisch leitfähigen Kunstharz aufgebaut, wobei in das Elastomer hier nicht dargestellte Glashohlkugeln und Carbon Nanotubes eingebettet sind. Die Hülse 4 mit dem Boden 5 ist elektrisch leitfähig. An dem dem Boden 5 abgewandten Ende 8 der Hülse 4 sind 2 Steckkontakte 9 angeordnet und elektrisch leitfähig mit der Hülse 4 verbunden. The ultrasonic transducer 1 has a disk-shaped oscillator 2 , a fitting body 3 and a sleeve 4 with an open floor 5 on. The oscillator 2 has a fitting body 3 assigned surface 6 and one the adaptation body 3 remote surface 7 on. The surfaces 6 and 7 are each metallized. The adaptation body 3 is made of an electrically conductive synthetic resin, wherein in the elastomer not shown glass bubbles and carbon nanotubes are embedded. The sleeve 4 with the ground 5 is electrically conductive. At the bottom 5 opposite end 8th the sleeve 4 are 2 plug contacts 9 arranged and electrically conductive with the sleeve 4 connected.

Der Oszillator 2 ist mit seiner Oberfläche 6 elektrisch leitfähig fest mit dem Anpassungskörper 3 verbunden. Der Anpassungskörper 3 ist mit dem Boden 5 Unterhülse 4 ebenfalls elektrisch leitfähig verbunden. The oscillator 2 is with its surface 6 electrically conductive fixed to the fitting body 3 connected. The adaptation body 3 is with the ground 5 lower sleeve 4 also connected electrically conductive.

Die Steckkontakte 9 sind in korrespondierende elektrisch leitfähige Aufnahmebohrungen 10 einer Leiterplatte 11 eingesteckt. Die Leiterplatte 11 weist weiterhin eine Bohrung 12 auf. Durch die Bohrung 12 ist eine elektrisch leitfähige elastomere Kontaktmasse 13 eingespritzt. Die Kontaktmasse 13 kontaktiert sowohl die Oberfläche 7 des Oszillators 2 als auch die Leiterplatte 11. Damit es ein sicherer und schwingungsfester Kontakt des Oszillators 2 mit der Leiterplatte 11 gegeben. The plug contacts 9 are in corresponding electrically conductive mounting holes 10 a circuit board 11 plugged in. The circuit board 11 still has a hole 12 on. Through the hole 12 is an electrically conductive elastomeric contact material 13 injected. The contact mass 13 contacts both the surface 7 of the oscillator 2 as well as the circuit board 11 , To make it a safe and vibration-proof contact of the oscillator 2 with the circuit board 11 given.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Ultraschallwandler ultrasound transducer
2 2
Oszillator oscillator
3 3
Anpassungskörper matching element
4 4
Hülse shell
5 5
Boden der Hülse 4 Bottom of the sleeve 4
6, 7 6, 7
Oberflächen des Oszillators 2 Surfaces of the oscillator 2
8 8th
Ende der Hülse 4 End of the sleeve 4
9 9
Steckkontakte plug contacts
10 10
Aufnahmebohrungen der Leiterplatte 11 Mounting bores of the printed circuit board 11
11 11
Leiterplatte circuit board
12 12
Bohrung in der Leiterplatte 11 Hole in the circuit board 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19601656 A1 [0006] DE 19601656 A1 [0006]
  • DE 19811982 A1 [0006] DE 19811982 A1 [0006]

Claims (4)

Auf einer Leiterplatte (11) befestigbarer piezokeramischer Ultraschallwandler (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) folgende Bauteile aufweist, nämlich – einen scheibenförmigen piezoelektrischen Oszillator (2) mit 2 planparallelen Oberflächen (6, 7), – eine zusätzliche, als Anpassungskörper (3) ausgebildete elektrisch leitfähige Masse (13), – Kontaktelemente aus leitfähigen Werkstoffen und – mit den Kontaktelementen elektrisch leitend verbundene Steckkontakte (9), wobei – der scheibenförmige Oszillator (2) an seinen planparallelen Oberflächen (6, 7) metallisiert ist, – der Anpassungskörper (3) aus einem Kunstharz mit eingebetteten Glashohlkugeln und Carbon Nanotubes ausgebildet ist und mit einer der metallisierten Oberflächen (6) des Oszillators (2) elektrisch leitend verbunden ist, – der Verbund aus Oszillator (2) und Anpassungskörper (3) in einer metallischen Hülse (4) mit einem offenen Boden (5) angeordnet ist, wobei die dem Oszillator (2) abgewandte Seite des Anpassungskörpers (3) elektrisch leitfähig mit dem Boden (5) der Hülse (4) verbunden ist, – die Hülse (4) an ihrem dem Boden (5) abgewandten Ende (8) mindestens zwei Steckkontakte (9) aufweist, die elektrisch leitfähig mit der Hülse (4) verbunden sind, – die Leiterplatte (11) elektrisch leitfähige Befestigungsvorrichtungen (10) aufweist, die mit den Steckkontakten (9) der Hülse (4) elektrisch leitfähig korrespondieren und die eine Bohrung (12) aufweist, die bei eingesetzten Steckkontakten (9) mit dem Oszillator (2) korrespondiert, wobei die der Leiterplatte (11) zugewandte Oberfläche (7) des Oszillators (2) mit der Leiterplatte (11) elektrisch leitend kontaktierbar ist. On a printed circuit board ( 11 ) attachable piezoceramic ultrasonic transducer ( 1 ), characterized in that the ultrasonic transducer ( 1 ) comprises the following components, namely - a disk-shaped piezoelectric oscillator ( 2 ) with 2 plane-parallel surfaces ( 6 . 7 ), - an additional, as a fitting body ( 3 ) formed electrically conductive mass ( 13 ), - contact elements made of conductive materials and - with the contact elements electrically conductively connected plug contacts ( 9 ), wherein - the disc-shaped oscillator ( 2 ) on its plane-parallel surfaces ( 6 . 7 ) is metallized, - the adaptation body ( 3 ) is formed of a synthetic resin with embedded glass bubbles and carbon nanotubes and with one of the metallized surfaces ( 6 ) of the oscillator ( 2 ) is electrically conductively connected, - the composite of oscillator ( 2 ) and adaptation body ( 3 ) in a metallic sleeve ( 4 ) with an open floor ( 5 ), wherein the oscillator ( 2 ) facing away from the fitting body ( 3 ) electrically conductive to the ground ( 5 ) of the sleeve ( 4 ), - the sleeve ( 4 ) at her the ground ( 5 ) facing away from the end ( 8th ) at least two plug contacts ( 9 ) which is electrically conductive with the sleeve ( 4 ), - the printed circuit board ( 11 ) electrically conductive fastening devices ( 10 ), which with the plug contacts ( 9 ) of the sleeve ( 4 ) electrically conductive correspond and the one bore ( 12 ), the plug contacts used ( 9 ) with the oscillator ( 2 ) corresponds, wherein the the circuit board ( 11 ) facing surface ( 7 ) of the oscillator ( 2 ) with the printed circuit board ( 11 ) is electrically conductive contactable. Auf einer Leiterplatte (11) befestigbarer piezokeramischer Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bohrung (12) der Leiterplatte (11) hindurch eine elektrisch leitfähige elastomere Spritzmasse (13) spritzbar ist, mittels derer ein Kontakt zwischen der der Leiterplatte (11) zugeordneten Oberfläche (7) des Oszillators (2) mit der Leiterplatte (11) herstellbar ist. On a printed circuit board ( 11 ) attachable piezoceramic ultrasonic transducer ( 1 ) according to claim 1, characterized in that through the bore ( 12 ) of the printed circuit board ( 11 ) through an electrically conductive elastomeric injection molding compound ( 13 ) is sprayable, by means of which a contact between the the circuit board ( 11 ) associated surface ( 7 ) of the oscillator ( 2 ) with the printed circuit board ( 11 ) can be produced. Auf einer Leiterplatte (11) befestigbarer piezokeramischer Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Leiterplatte (11) zugewandte Oberfläche (7) des Oszillators (2) eine Schicht aus elektrisch leitfähiger elastomerer Masse (13) vorbestimmter Dicke aufweist, durch die bei eingesteckten Steckkontakten (9) ein elektrischer Kontakt zwischen der Leiterplatte (11) und der der Leiterplatte (11) zugewandten Oberfläche (7) des Oszillators (2) herstellbar ist. On a printed circuit board ( 11 ) attachable piezoceramic ultrasonic transducer ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the printed circuit board ( 11 ) facing surface ( 7 ) of the oscillator ( 2 ) a layer of electrically conductive elastomeric mass ( 13 ) has predetermined thickness, through which when plug contacts ( 9 ) an electrical contact between the circuit board ( 11 ) and the circuit board ( 11 ) facing surface ( 7 ) of the oscillator ( 2 ) can be produced. Auf einer Leiterplatte (11) befestigbarer piezokeramischer Ultraschallwandler (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dem Anpassungskörper (3) zugewandten Oberfläche (6) des Oszillators (2) und dem Anpassungskörper (3) eine elektrisch leitfähige elastomere Masse angeordnet ist. On a printed circuit board ( 11 ) attachable piezoceramic ultrasonic transducer ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that between the said adaptation body ( 3 ) facing surface ( 6 ) of the oscillator ( 2 ) and the adaptation body ( 3 ) an electrically conductive elastomeric mass is arranged.
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EP3817075A1 (en) * 2019-10-29 2021-05-05 Continental Automotive GmbH Piezoceramic ultrasonic transducer

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