DE102017109159B4 - Ultrasonic transducer device and contacting method - Google Patents

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Abstract

Ultraschallwandlereinrichtung (10), insbesondere Ultraschallsensor, für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse (12), einer Ultraschallmembran (18), einem Piezoelement (42) zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran (18) und im Innenraum (24) des Gehäuses (12) gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen (44, 46) zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements (42), wobei die elektrischen Leitungselemente (44, 46) über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden (58, 60) des Piezoelements (42) elektrisch verbunden sind, wobei jede dieser Verbindungen von einem lot- und flussmittelfreien Schweißkontakt (62) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes oder zumindest eines der elektrischen Leitungselemente (44, 46) einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt (48) und einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt (52) aufweist, und dass ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts (52) als Schleife (68) geformt ist.

Figure DE102017109159B4_0000
Ultrasonic transducer device (10), in particular ultrasonic sensor, for a vehicle, with a housing (12), an ultrasonic membrane (18), a piezoelectric element (42) for vibrational excitation of the ultrasonic membrane (18) and in the interior (24) of the housing (12) arranged fixed to the housing electrical line elements (44, 46) for electrically contacting the piezoelectric element (42), the electrical line elements (44, 46) being electrically connected via a respective electrical connection to electrodes (58, 60) of the piezoelectric element (42), each of these connections is formed by a solder- and flux-free welding contact (62), characterized in that each or at least one of the electrical line elements (44, 46) has a housing-fixed first line section (48) and a comparatively flexible second line section (52), and that Part of the second section of line (52) is formed as a loop (68).
Figure DE102017109159B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlereinrichtung, insbesondere einen Ultraschallsensor, für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse, einer Ultraschallmembran, einem Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements, wobei die elektrischen Leitungselemente über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen einer derartigen Ultraschallwandlereinrichtung an deren Piezoelement.The present invention relates to an ultrasonic transducer device, in particular an ultrasonic sensor, for a vehicle, comprising a housing, an ultrasound diaphragm, a piezoelement for vibrational excitation of the ultrasound diaphragm and electrical conduction elements fixed to the housing in the interior of the housing for electrical contacting of the piezoelectric element, the electrical conduction elements being connected via a respective one electrical connection with electrodes of the piezoelectric element are electrically connected. The invention further relates to a method for the electrical contacting of housing-fixed electrical conductor elements of such an ultrasonic transducer device to the piezoelectric element.

Stand der Technik bei Ultraschallsensoren zur Distanzmessung ist die Anwendung des Biegewandlerprinzips. Dabei dient ein Piezoelement, das auf eine biegesteife Membran montiert ist, der elektromechanischen Energiewandlung. Das Piezoelement besteht im Allgemeinen aus einem keramischen Werkstoff der auf den flächigen Seiten mit Metallisierungen beschichtet ist, die als Elektroden dienen. Diese Elektroden müssen elektrisch mit einer Steuerelektronik kontaktiert werden. Im Allgemeinen wird dies durch Lötverbindung zwischen Leitungselementen der Steuerelektronik realisiert.The state of the art in ultrasound sensors for distance measurement is the application of the bending transducer principle. In this case, a piezo element, which is mounted on a rigid membrane, the electromechanical energy conversion. The piezoelectric element is generally made of a ceramic material which is coated on the flat sides with metallizations, which serve as electrodes. These electrodes must be electrically contacted with control electronics. In general, this is realized by solder connection between line elements of the control electronics.

Dokument DE 10 2013 022 063 A1 zeigt einen entsprechenden Ultraschallsensor für ein Fahrzeug. Dieser weist ein Gehäuse, eine Ultraschallmembran, ein Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordnete elektrische Leitungselemente zur elektrischen Beschaltung des Piezoelements auf. Zwischen einer Platine der Steuerelektronik und dem Piezoelement ist eine Dämpfungsschicht vorgesehen. Die elektrischen Leitungselemente sind über eine jeweilige Lötverbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden. Eine solche Lötverbindung hat den Nachteil, dass beim Löten ein Flussmittel benötigt wird. Dieses Flussmittel breitet sich beim Löten um die Lötstelle aus und verhindert durch Platin-Vergiftung eine Haftung des Dämpfungsschaums auf der Piezokeramik und beeinträchtigt die Vernetzung des Dämpfungsschaums in der Grenzschicht der Dämpfungsschicht. Da die Verteilung des Flussmittels nicht kontrollierbar ist, ergibt sich eine sehr hohe Fertigungsstreuung. Zudem muss die Beeinträchtigung durch das Flussmittel durch eine Erhöhung der Schaummasse ausgeglichen werden, um die erforderliche mechanische Dämpfung über unkontaminierte Stellen gewährleisten zu können. Diese Erhöhung wirkt sich negativ auf die effektive Masse aus. Da der entstehende Lötpunkt zudem eine sehr hohe Masse aufweist und sich ebenfalls negativ auf die schwingende effektive Masse auswirkt, weist die Ultraschallwandlereinrichtung eine verminderte Dynamik auf.document DE 10 2013 022 063 A1 shows a corresponding ultrasonic sensor for a vehicle. This has a housing, an ultrasonic diaphragm, a piezoelectric element for vibrational excitation of the ultrasonic diaphragm and in the interior of the housing fixed to the housing arranged electrical line elements for electrical wiring of the piezoelectric element. Between a board of the control electronics and the piezoelectric element, a damping layer is provided. The electrical line elements are electrically connected via a respective solder connection with electrodes of the piezoelectric element. Such a solder joint has the disadvantage that a flux is needed during soldering. This flux spreads when soldering around the solder joint and prevents platinum poisoning adhesion of the damping foam on the piezoceramic and affects the crosslinking of the damping foam in the boundary layer of the damping layer. Since the distribution of the flux is not controllable, results in a very high production spread. In addition, the impairment of the flux must be compensated by increasing the foam mass to ensure the required mechanical damping over uncontaminated areas. This increase has a negative effect on the effective mass. In addition, since the resulting soldering point has a very high mass and also has a negative effect on the oscillating effective mass, the ultrasonic transducer device has a reduced dynamics.

DE 198 16 456 C1 offenbart einen Ultraschallsensor und DE 10 2015 219 427 A1 beschreibt ein Piezoelement. DE 198 16 456 C1 discloses an ultrasonic sensor and DE 10 2015 219 427 A1 describes a piezoelectric element.

DE 10 2011 077 553 A1 offenbart einen Ultraschallwandler mit einem Piezoelement, einer Leiterplatte und einem Membrantopf. Das Piezoelement ist an einer vorderen Stirnseite des Membrantopfs befestigt und über mindestens zwei Leitungen mit Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden. Eine 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. Als weitere stoffschlüssige Verbindungstechnik ist beispielsweise das Widerstandsschweißen genannt. DE 10 2011 077 553 A1 discloses an ultrasonic transducer with a piezoelectric element, a printed circuit board and a diaphragm pot. The piezoelectric element is attached to a front end side of the diaphragm pot and connected via at least two lines with signal connection points of the circuit board. An embodiment of the ultrasonic transducer provides that the lines to the circuit board and / or with the piezoelectric element via thermocompression welding contacts, via solder contacts or other cohesive contacts are electrically connected. As a cohesive connection technique, for example, the resistance welding is called.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallwandlereinrichtung mit einer elektrischen Kontaktierung des Piezoelements sowie ein entsprechendes Kontaktierungsverfahren anzugeben, bei denen gleichzeitig eine gute Dämpfung sowie eine gute und stabile Kontaktierung des Piezoelements gewährleistet werden kann.Based on the above-mentioned prior art, the invention is therefore based on the object of specifying an ultrasonic transducer device with an electrical contacting of the piezoelectric element and a corresponding contacting method, in which at the same time a good damping and a good and stable contacting of the piezoelectric element can be ensured.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist somit eine Ultraschallwandlereinrichtung für ein Fahrzeug angegeben, die ein Gehäuse, eine Ultraschallmembran, ein Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordnete elektrische Leitungselementen zur elektrischen Beschaltung des Piezoelements aufweist, wobei diese elektrischen Leitungselemente über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass jede dieser Verbindungen von einem lot- und flussmittelfreien Schweißkontakt gebildet ist. Die Ultraschallwandlereinrichtung ist insbesondere ein Ultraschallsensor. Jedes oder zumindest eines der elektrischen Leitungselemente weist einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt und einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt auf. Eine derartige Ausgestaltung der Leitungselemente ist stabil und hat sich bewährt. Erfindungsgemäß ist ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts als Schleife geformt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine wohldefinierte Flexibilität, die die Durchführung des Schweißprozesses vereinfacht.According to the invention, therefore, an ultrasonic transducer device for a vehicle is provided which has a housing, an ultrasound diaphragm, a piezoelectric element for vibrating the ultrasound diaphragm, and electrical conduction elements arranged in the interior of the housing for electrical connection of the piezoelectric element, these electrical conduction elements being connected to electrodes via a respective electrical connection of the piezoelectric element are electrically connected. It is provided that each of these compounds is formed by a solder and flux-free welding contact. The ultrasound transducer device is in particular an ultrasound sensor. Each or at least one of the electrical line elements has a housing-fixed first line section and a comparatively flexible second Line section on. Such a design of the line elements is stable and has proven itself. According to the invention, a section of the second line section is formed as a loop. This configuration results in a well-defined flexibility, which simplifies the implementation of the welding process.

Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallwandlereinrichtung ist die elektrische Verbindung der Piezoelektroden zu den Leitungselementen beziehungsweise einer Steuerelektronik optimiert, um die Beeinträchtigung der anderen Komponenten des Ultraschallwandlers zu eliminieren und die Masse der Verbindung zu minimieren.In the ultrasonic transducer device according to the invention, the electrical connection of the piezoelectric electrodes to the line elements or control electronics is optimized in order to eliminate the impairment of the other components of the ultrasonic transducer and to minimize the mass of the connection.

Statt einer Lötverbindung sollte die elektrische Kontaktierung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt sein. Mit anderen Worten sind die Schweißkontakte dabei als Reibschweiß-Kontakte oder Punktschweißkontakte ausgebildet. Beide genannten Verfahren benötigen keine zusätzlichen Hilfsstoffe, wie etwa Flussmittel, die nach dem Fertigungsschritt entweder aufwendig entfernt werden müssen oder die eine wesentliche Beeinträchtigung der benachbarten Bauteile wie zum Beispiel eines eingesetzten Dämpfungsschaums zur Folge haben. Beide Verfahren arbeiten lediglich mit einem Draht und kommen ohne zusätzliche Verbindungsstoffe wie Lot aus. Dadurch ist die Masse dieser Verbindung sehr gering und die Dynamik des Ultraschallwandlers gegenüber der eines Wandlers mit Lötverbindung erhöht. Die Dynamik eines Ultraschallwandlers beschreibt das Ein- und Ausschwingverhalten des Systems und damit dessen Schallwandlungseffizient im transienten Betrieb. Je geringer die effektive Masse des Biegeschwingers gestaltet ist, desto höher ist dessen Dynamik.Instead of a solder joint, the electrical contacting should be carried out according to a preferred embodiment of the invention by means of a friction welding or a wire bond connection. In other words, the welding contacts are designed as friction welding contacts or spot welding contacts. Both of these methods do not require any additional auxiliaries, such as fluxes, which either have to be removed with difficulty after the production step or which result in a significant impairment of the adjacent components, such as, for example, an inserted damping foam. Both methods work with only one wire and do without additional connecting materials such as solder. As a result, the mass of this compound is very low and increases the dynamics of the ultrasonic transducer over that of a converter with solder joint. The dynamics of an ultrasonic transducer describe the system's on and off-beat behavior and thus its sound conversion efficiency in transient operation. The lower the effective mass of the bending oscillator, the higher is its dynamics.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein vom ersten Leitungsabschnitt gebildeter Endbereich als Kontaktelement ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Leitungselemente ist einfach herstellbar und zweckmäßig.It is in particular provided that an end region formed by the first line section is designed as a contact element. Such a configuration of the line elements is easy to produce and appropriate.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Leitungsabschnitt als Stanzteil und/oder der zweite Leitungsabschnitt als Litze ausgebildet ist.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the first line section is formed as a stamped part and / or the second line section as a stranded wire.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Schweißkontakte zwischen der jeweiligen Elektrode des Piezoelements und dem zweiten Leitungsabschnitt des jeweiligen elektrischen Leitungselements gebildet ist.According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that each of the welding contacts between the respective electrode of the piezoelectric element and the second line section of the respective electrical conduction element is formed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitungselemente im Bereich der Schweißkontakte parallel ausgerichtet sind. Dies vereinfach die benötigte Ausrichtung des entsprechenden Schweißgerätes.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the line elements are aligned in parallel in the region of the welding contacts. This simplifies the required alignment of the corresponding welding device.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen einer vorstehend genannten Ultraschallwandlereinrichtung an dessen Piezoelement ist vorgesehen, dass jedes der elektrischen Leitungselemente mittels eines Schweißgerätes an die Elektroden des Piezoelements lot- und flussmittelfrei angeschweißt wird.In the method according to the invention for the electrical contacting of electrically conductive elements of an abovementioned ultrasonic transducer device to the piezoelectric element of the invention, it is provided that each of the electrical conduction elements is welded to the electrodes of the piezoelectric element by soldering and flux-free means.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Kontaktierung dabei mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, the electrical contacting is carried out by means of a friction welding or a wire bond connection.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Spitze des Schweißgerätes durch eine im Gehäuse ausgebildete Montageöffnung in den Innenraum hineingesteckt wird und dort jedes der dort wohldefiniert angeordneten elektrischen Leitungselemente mittels des Schweißgerätes mit je einer Elektrode des Piezoelements verschweißt wird.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that a tip of the welding device is inserted into the interior through a mounting opening formed in the housing and where each of the well-defined there electrical conductor elements is welded by means of the welder with one electrode of the piezoelectric element.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.

Es zeigen

  • 1 Die Kontaktierung eines Piezoelements einer Ultraschallwandlereinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
  • 2 Die Ultraschallwandlereinrichtung in einer Darstellung senkrecht zur Darstellung in 1 und
  • 3 Eine alternative Form der Kontaktierung eines Piezoelements mit abweichend ausgestalteten Elektroden.
Show it
  • 1 The contacting of a piezoelectric element of an ultrasonic transducer device according to a preferred embodiment of the invention in a sectional view,
  • 2 The ultrasonic transducer device in a representation perpendicular to the representation in 1 and
  • 3 An alternative form of contacting a piezoelectric element with differently designed electrodes.

In 1 ist ein Schritt einer Fertigung beziehungsweise Montage eines Ultraschallwandlers 10 gezeigt. Ein solcher Ultraschallwandler wird beispielsweise als Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug genutzt. Der fertige Ultraschallwandler 10 ist dabei zur Montage an einem Verkleidungsteil eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, beispielsweise an einem Stoßfänger. Der Ultraschallwandler 10 weist ein im Folgenden nur als Gehäuse 12 bezeichnetes Wandlergehäuse auf, in welchem die Komponenten des Ultraschallwandlers 10 geschützt untergebracht sind. Über das Gehäuse 12 kann der Ultraschallwandler 10 an dem Verkleidungsteil befestigt werden. Hierbei wird das Gehäuse 12 beispielsweise mit einer Halterung verbunden und über die Halterung an dem Verkleidungsteil befestigt. Das Gehäuse 12 ist ein- oder mehrstückig ausgebildet und besteht beispielsweise aus Kunststoff. In 1 is a step of manufacturing or mounting an ultrasonic transducer 10 shown. Such an ultrasonic transducer is used for example as an ultrasonic sensor for a motor vehicle. The finished ultrasonic transducer 10 is intended for mounting on a trim part of a motor vehicle, for example on a bumper. The ultrasonic transducer 10 has a hereafter only as a housing 12 designated converter housing, in which the components of the ultrasonic transducer 10 are housed protected. About the case 12 can the ultrasonic transducer 10 be attached to the trim part. This is the case 12 For example, connected to a bracket and attached via the bracket to the trim panel. The housing 12 is formed in one or more pieces and consists for example of plastic.

Der Ultraschallwandler 10 weist an einer in Senderichtung (Pfeil 14) weisenden Frontseite 16 eine Ultraschallmembran 18 auf. An der Frontseite 16 ist weiterhin in dem Gehäuse 12 eine frontseitige Öffnung 20 ausgebildet, die zusammen mit einer an einer gegenüberliegenden Rückseite 22 des Gehäuses 12 ausgebildeten rückseitigen Montageöffnung 24 eine Durchgangsöffnung bildet. Im nicht-fertigmontierten Zustand des Ultraschallwandlers 10 ist ein Innenraum 26 des Gehäuses 12 also lediglich in radialer Richtung und somit senkrecht zur Senderichtung 14 durch das Material des Gehäuses 12 begrenzt. An dem der Frontseite 16 zugewandten Ende 28 des Gehäuses 12 ist ein umlaufendes Flanschelement 30 mit einer radial nach innen weisenden Kante angeordnet, welches die frontseitige Öffnung 20 radial begrenzt.The ultrasonic transducer 10 indicates a transmission direction (arrow 14 ) facing front 16 an ultrasound membrane 18 on. At the front 16 is still in the case 12 a front opening 20 formed, which together with one on an opposite back 22 of the housing 12 trained rear mounting opening 24 forms a passage opening. In the unfinished state of the ultrasonic transducer 10 is an interior 26 of the housing 12 So only in the radial direction and thus perpendicular to the transmission direction 14 through the material of the housing 12 limited. At the front 16 facing the end 28 of the housing 12 is a circumferential flange element 30 arranged with a radially inwardly facing edge, which is the front opening 20 radially limited.

Das Gehäuse 24 weist außerdem einen Stecker 32 auf, über welchen der Ultraschallwandler 10 mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) elektrisch gekoppelt werden kann.The housing 24 also has a plug 32 on, over which the ultrasonic transducer 10 with a control unit of the motor vehicle (not shown) can be electrically coupled.

Die Ultraschallmembran 18 ist insgesamt topfförmig ausgebildet und besteht zum Beispiel aus Aluminium. Sie weist einen Membranboden 34, welcher die Frontseite 16 des Wandlers 10 bildet, wie auch einen zylinderförmigen umlaufenden Membranmantel 36 auf. An einer der Frontseite 34 gegenüberliegenden Rückseite 38 der Membran 18 ist diese offen, weist also eine Ausnehmung auf. An dieser Rückseite 38 ist an dem Membranmantel 36 außerdem ein radial nach außen weisender Kragen 40 der Membran 18 ausgebildet.The ultrasound membrane 18 is designed overall cup-shaped and consists for example of aluminum. It has a membrane bottom 34 which is the front 16 of the converter 10 forms, as well as a cylindrical circumferential membrane jacket 36 on. At one of the front 34 opposite back 38 the membrane 18 this is open, so has a recess. At this back 38 is on the membrane jacket 36 also a radially outwardly facing collar 40 the membrane 18 educated.

An einer dem Innenraum 26 zugewandten Rückseite des Membranbodens 34, also in der Ausnehmung, ist ein Piezoelement 42 angeordnet, welches zum Anregen der Ultraschallmembran 18 eingerichtet ist. Das Piezoelement 42 wird über Leitungselemente 44, 46 elektrisch beschaltet, von denen hier in der Schnittdarstellung der 1 nur eines sichtbar ist. Jedes der Leitungselemente 44, 46 weist einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt 48 mit einem elektrischen Kontaktelement 50 sowie einen als Litze ausgestalteten vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 auf. Dabei erstreckt sich der gehäusefeste Leitungsabschnitt 48 aus dem Inneren der topfförmigen Membran 18 heraus in Richtung einer Wand des Gehäuses 12, wo sie über ein Zwischenelement 54 verankert ist. An den verankerten Teil des Leitungsabschnitts 48 schließt sich bei jeder der Leitungselemente 44, 46 das steckerförmige Kontaktelement 50 an. Dieses dient zur Kontaktierung einer (nicht gezeigten) Platine einer Steuerelektronik zum Ansteuern des Piezoelements 42. Am gegenüberliegenden Ende des jeweiligen ersten Leitungsabschnitts 48 schließt sich zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 42 der biegsame zweite Leitungsabschnitt 52, also die Litze an.At one of the interior 26 facing back of the membrane bottom 34 , ie in the recess, is a piezoelectric element 42 arranged, which for exciting the ultrasonic membrane 18 is set up. The piezo element 42 is via conduit elements 44 . 46 electrically connected, of which in the sectional view of the 1 only one is visible. Each of the pipe elements 44 . 46 has a housing-fixed first line section 48 with an electrical contact element 50 and a comparatively flexible second line section designed as a stranded wire 52 on. In this case, the housing-fixed line section extends 48 from the inside of the cup-shaped membrane 18 out towards a wall of the housing 12 where they have an intermediate element 54 is anchored. To the anchored part of the pipe section 48 closes at each of the line elements 44 . 46 the plug-shaped contact element 50 at. This is used for contacting a (not shown) board control electronics for driving the piezoelectric element 42 , At the opposite end of the respective first line section 48 closes for electrical contacting of the piezoelectric element 42 the flexible second line section 52 , so the strand on.

Der jeweilige zweite Leitungsabschnitt 52 eines jeden Leitungselements 44, 46 wird mittels eines Schweißgerätes 56, dessen Spitze in 1 gezeigt ist, an je eine der in der 2 gezeigten Elektroden 58, 60 des Piezoelements 42 lot- und flussmittelfrei angeschweißt. Es entsteht also eine lot- und flussmittelfreie Schweißverbindung 62 zwischen je einer Elektrode 58, 60 des Piezoelements 42 und je einem biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 eines jeweiligen Leitungselements 44, 46. Das Schweißgerät 56 wird zum Erreichen der Schweißposition entlang der Durchgangsöffnung bewegt (Doppelpfeil 64). Die erwähnte, jedoch nicht gezeigte Platine der Steuerelektronik erstreckt sich zwischen den Kontaktelementen 50 der Leitungselemente 44, 46 und weiteren Kontaktelementen 66 der Wandlereinrichtung 10, die den Stecker 32 kontaktieren.The respective second line section 52 of each conduit element 44 . 46 is by means of a welder 56 whose top is in 1 is shown to one each in the 2 shown electrodes 58 . 60 of the piezoelectric element 42 welded solder-free and flux-free. So there is a lot- and flux-free welded joint 62 between each one electrode 58 . 60 of the piezoelectric element 42 and a flexible second conduit section each 52 a respective line element 44 . 46 , The welding machine 56 is moved to reach the welding position along the passage opening (double arrow 64 ). The mentioned, but not shown board of the control electronics extends between the contact elements 50 the line elements 44 . 46 and further contact elements 66 the converter device 10 that the plug 32 to contact.

Die 2 zeigt die Rückseite 22 der Ultraschallwandlereinrichtung 10 in einer Darstellung senkrecht zur Darstellung in 1. Dabei gibt die im Gehäuse 12 ausgebildete Montageöffnung 24 den Blick in den Innenraum 26 mit der Rückseite der Membran 18, dem Piezoelement 42 und seinen Elektroden 58, 60 und den Leitungselementen 44, 46 frei. Auch bei dieser Darstellung ist klar erkennbar, dass jedes der beiden elektrischen Leitungselemente 44, 46 einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt 48 sowie einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 aufweist, der mit den Elektroden 58, 60 verschweißt wird beziehungsweise verschweißt ist. Bei beiden Leitungselementen 44, 46 ist der erste Leitungsabschnitt 48 als Stanzteil beziehungsweise Stanzgitter und der zweite Leitungsabschnitt 52 als eine an das Stanzteil angeschweißte Litze ausgebildet. Ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts jeder der Leitungselemente 44, 46 ist als Schleife 68 geformt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine wohldefinierte Flexibilität, die die Durchführung des Schweißprozesses vereinfacht.The 2 shows the back 22 the ultrasonic transducer device 10 in a representation perpendicular to the representation in 1 , There are in the case 12 trained mounting hole 24 the view into the interior 26 with the back of the membrane 18 , the piezo element 42 and his electrodes 58 . 60 and the conduit elements 44 . 46 free. Also in this illustration, it can be clearly seen that each of the two electrical line elements 44 . 46 a housing-fixed first line section 48 and a comparatively flexible second conduit section 52 that is in contact with the electrodes 58 . 60 is welded or welded. For both line elements 44 . 46 is the first line section 48 as a stamped part or stamped grid and the second line section 52 formed as a welded to the stamped strand. A section of the second line section of each of the line elements 44 . 46 is as loop 68 shaped. This configuration results in a well-defined flexibility, which simplifies the implementation of the welding process.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung beziehungsweise zum Zusammenbau des Ultraschallsensors 20 anhand der 1 und 2 näher erläutert:The following is a method of manufacturing or assembling the ultrasonic sensor 20 based on 1 and 2 explained in more detail:

Zunächst wird die Membran 18 mit dem Piezoelement 42 und das Gehäuse 12 bereitgestellt. Die Membran 18 wird vor der Montage extern und somit an der Außenseite mit einem Oberflächenschutz beschichtet. Das Piezoelement 42 ist an der Rückseite 38 des Membranbodens 34 positioniert, angedrückt und verklebt. Es kann hier beispielsweise ein Flüssigkleber verwendet werden, optional auch ein kalt aushärtender Klebstoff, welcher bevorzugt unter Luftabschluss aushärtet. Alternativ kann auch ein Klebepad genutzt werden.First, the membrane 18 with the piezo element 42 and the case 12 provided. The membrane 18 is externally coated before assembly and thus on the outside with a surface protection. The piezo element 42 is at the back 38 of the membrane bottom 34 positioned, pressed and glued. It can be used here, for example, a liquid adhesive, optionally also a cold-curing adhesive, which preferably hardens under exclusion of air. Alternatively, an adhesive pad can be used.

Im Gehäuse 12 sind die elektrischen Leitungselemente 44, 46 bereits vormontiert. Deren flexible zweite Leitungsabschnitte 52 weisen in Richtung der frontseitigen Öffnung 20.In the case 12 are the electrical conduction elements 44 . 46 already pre-assembled. Their flexible second line sections 52 point in the direction of the front opening 20 ,

In einem ersten Schritt wird die Membran 18 in die in 1 gezeigte Montageposition eingebaut und mittels des Flanschelements 30 fixiert. Dabei weist die Rückseite 38 der Membran 18 mit der Ausnehmung in Richtung der frontseitigen Öffnung 20.In a first step, the membrane 18 in the in 1 installed mounting position shown and by means of the flange 30 fixed. This shows the back 38 the membrane 18 with the recess in the direction of the front opening 20 ,

In einem weiteren Schritt werden die gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselemente 44, 46 mittels des vorstehend genannten Schweißgerätes 56 an die Elektroden 58, 60 des Piezoelements 42 lot- und flussmittelfrei angeschweißt. Die elektrische Kontaktierung wird dabei mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt. Dazu wird die Spitze des Schweißgerätes 56 durch die im Gehäuse 12 ausgebildete Montageöffnung 24 in den Innenraum 26 hineingesteckt und dort der als Litze ausgebildete flexible zweite Leitungsabschnitt 52 jedes der dort wohldefiniert angeordneten elektrischen Leitungselemente 44, 46 mittels des Schweißgerätes 56 mit je einer Elektrode 58, 60 des Piezoelements 42 verschweißt.In a further step, the electrical conduction elements arranged fixed to the housing 44 . 46 by means of the abovementioned welding device 56 to the electrodes 58 . 60 of the piezoelectric element 42 welded solder-free and flux-free. The electrical contacting is carried out by means of a friction welding or a wire bond connection. This will be the tip of the welder 56 through the housing 12 trained mounting hole 24 in the interior 26 inserted there and there designed as a strand flexible second line section 52 each of the well-defined there arranged electrical line elements 44 . 46 by means of the welding device 56 with one electrode each 58 . 60 of the piezoelectric element 42 welded.

In den Innenraum 26 einschließlich der Ausnehmung in der Membran 18 kann dann ein Verguss eingebracht werden, wie beispielsweise ein Einkomponentenschaum (Montageschaum) und/oder ein Einkomponenten-Silikonverguss.In the interior 26 including the recess in the membrane 18 then a potting can be introduced, such as a one-component foam (mounting foam) and / or a one-component Silikonverguss.

Es wird dann die (nicht gezeigte) Platine auf die Kontaktelemente 50, 66 aufgesteckt. Anschließend kann ebenfalls der Raum zwischen der Platine und der Montageöffnung 24 mit einem Verguss ausgefüllt werden, wie beispielsweise einem Einkomponentenschaum und/oder einem Einkomponenten-Silikonverguß. Ergänzend oder alternativ zum Verguss kann auch ein Kunststoffdeckel, insbesondere in Form einer Kunststofffolie, verwendet werden (nicht gezeigt), um die rückseitige Montageöffnung 24 zu verdecken. Dieser Kunststoffdeckel kann beispielsweise mit dem Gehäuse 12 mittels Ultraschall verschweißt werden.It is then the (not shown) board on the contact elements 50 . 66 attached. Subsequently, also the space between the board and the mounting hole 24 be filled with a potting, such as a one-component foam and / or a one-component Silikonverguß. In addition or as an alternative to potting, a plastic lid, in particular in the form of a plastic film, can also be used (not shown) around the rear mounting opening 24 to cover up. This plastic lid can, for example, with the housing 12 be welded by means of ultrasound.

Die 3 zeigt eine alternative Form der Kontaktierung eines Piezoelements 42 mit abweichend ausgestalteten Elektroden 58, 60 durch die Endabschnitte der als Litzen ausgebildeten flexiblen zweiten Leitungsabschnitte 52 der elektrischen Leitungselemente 44, 46. Dabei sind die Endabschnitte der flexiblen zweiten Leitungsabschnitte 52 der Leitungselemente 44, 46, also die Bereiche der Schweißkontakte 62, parallel ausgerichtet und eine Begrenzungslinie zwischen den beiden Elektroden 58, 60 verläuft zwischen den Endabschnitten parallel zu diesen. Dadurch ist es besonders einfach möglich, beide Schweißkontakte 62 mit nur einem Schweißschritt zu erstellen.The 3 shows an alternative form of contacting a piezoelectric element 42 with differently designed electrodes 58 . 60 through the end portions of the flexible second line sections formed as strands 52 the electrical line elements 44 . 46 , In this case, the end sections of the flexible second line sections 52 the line elements 44 . 46 So the areas of the welding contacts 62 , aligned in parallel and a boundary line between the two electrodes 58 . 60 runs parallel to these between the end sections. This makes it particularly easy, both welding contacts 62 to create with just one welding step.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

UltraschallwandlereinrichtungUltrasonic transducer means 1010 Gehäusecasing 1212 Pfeil (Senderichtung)Arrow (direction of transmission) 1414 Frontseite (Sensor)Front side (sensor) 1616 Ultraschallmembranultrasonic membrane 1818 frontseitige Öffnung (Gehäuse)front opening (housing) 2020 Rückseiteback 2222 Montageöffnungmounting hole 2424 Innenrauminner space 2626 frontseitiges Endefront end 2828 Flanschelementflange 3030 Steckerplug 3232 Membranbodendiaphragm base 3434 Membranmantelmembrane coat 3636 Rückseite (Membran)Backside (membrane) 3838 Kragencollar 4040 Piezoelementpiezo element 4242 Leitungselementline element 4444 Leitungselementline element 4646 erster Leitungsabschnittfirst line section 4848 Kontaktelementcontact element 5050 zweiter Leitungsabschnittsecond line section 5252 Zwischenelementintermediate element 5454 Schweißgerätwelding machine 5656 Elektrodeelectrode 5858 Elektrodeelectrode 6060 Verbindungskontaktconnection contact 6262 Doppelpfeildouble arrow 6464 Kontaktelement, weiteresContact element, further 6666 Schleifeloop 6868

Claims (8)

Ultraschallwandlereinrichtung (10), insbesondere Ultraschallsensor, für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse (12), einer Ultraschallmembran (18), einem Piezoelement (42) zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran (18) und im Innenraum (24) des Gehäuses (12) gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen (44, 46) zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements (42), wobei die elektrischen Leitungselemente (44, 46) über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden (58, 60) des Piezoelements (42) elektrisch verbunden sind, wobei jede dieser Verbindungen von einem lot- und flussmittelfreien Schweißkontakt (62) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes oder zumindest eines der elektrischen Leitungselemente (44, 46) einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt (48) und einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt (52) aufweist, und dass ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts (52) als Schleife (68) geformt ist.Ultrasonic transducer device (10), in particular ultrasonic sensor, for a vehicle, with a housing (12), an ultrasonic membrane (18), a piezoelectric element (42) for vibrational excitation of the ultrasonic membrane (18) and in the interior (24) of the housing (12) arranged fixed to the housing electrical line elements (44, 46) for electrically contacting the piezoelectric element (42), the electrical line elements (44, 46) being electrically connected via a respective electrical connection to electrodes (58, 60) of the piezoelectric element (42), each of these connections is formed by a solder- and flux-free welding contact (62), characterized in that each or at least one of the electrical line elements (44, 46) has a housing-fixed first line section (48) and a comparatively flexible second line section (52), and that Part of the second section of line (52) is formed as a loop (68). Ultraschallwandlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkontakte (62) als Reibschweiß-Kontakte (62) oder Punktschweißkontakte (62) ausgebildet sind.Ultrasonic transducer device according to Claim 1 , characterized in that the welding contacts (62) as Reibschweiß contacts (62) or spot welding contacts (62) are formed. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom ersten Leitungsabschnitt (48) gebildeter Endbereich als Kontaktelement (50) ausgebildet ist.Ultrasonic transducer device according to one of the preceding claims, characterized in that an end region formed by the first line section (48) is designed as a contact element (50). Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungsabschnitt (48) als Stanzteil und/oder der zweite Leitungsabschnitt (52) als Litze ausgebildet ist.Ultrasonic transducer device according to one of the preceding claims, characterized in that the first line section (48) is formed as a stamped part and / or the second line section (52) as a stranded wire. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Schweißkontakte (62) zwischen der jeweiligen Elektrode (58, 60) des Piezoelements (42) und dem zweiten Leitungsabschnitt (52) des jeweiligen elektrischen Leitungselements (44, 46) gebildet ist.Ultrasonic transducer device according to one of the preceding claims, characterized in that each of the welding contacts (62) between the respective electrode (58, 60) of the piezoelectric element (42) and the second line section (52) of the respective electrical line element (44, 46) is formed. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungselemente (44, 46) im Bereich der Schweißkontakte (62) parallel ausgerichtet sind.Ultrasonic transducer device according to one of the preceding claims, characterized in that the line elements (44, 46) are aligned in parallel in the region of the welding contacts (62). Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen (44, 46) einer Ultraschallwandlereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an deren Piezoelement (42), wobei jedes der elektrischen Leitungselemente (44, 46) mittels eines Schweißgerätes (56) an die Elektroden (58, 60) des Piezoelements (42) lot- und flussmittelfrei angeschweißt wird. Method for the electrical contacting of electrically conductive elements (44, 46) of an ultrasonic transducer device (10) according to one of the preceding claims on the piezo element (42), wherein each of the electrical line elements (44, 46) is connected to the electrodes by means of a welding device (56) (58, 60) of the piezoelectric element (42) is welded solder-free and flux-free. Verfahren (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spitze des Schweißgerätes (56) durch eine im Gehäuse (12) ausgebildete Montageöffnung (24) in den Innenraum (26) hineingesteckt wird und dort jedes der dort wohldefiniert angeordneten elektrischen Leitungselemente (44, 46) mittels des Schweißgerätes (56) mit je einer Elektrode (58, 60) des Piezoelements (42) verschweißt wird.Method (10) according to Claim 7 , characterized in that a tip of the welding device (56) is inserted into the interior space (26) through a mounting opening (24) formed in the housing (12) and there each of the well-defined there electrically conductive elements (44, 46) by means of the welding device ( 56) with one electrode (58, 60) of the piezoelectric element (42) is welded.
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