-
Die Erfindung betrifft einen Schallwandler umfassend einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse, wobei der Membrantopf eine Membran und eine Wandung aufweist.
-
Stand der Technik
-
Ultraschallsensoren werden unter anderem in Automobil- und Industrieanwendungen zur Erfassung eines Umfelds eingesetzt. Objekte in der Umgebung können erkannt werden, indem durch den Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird und das von einem Objekt reflektierte Ultraschallecho wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des Ultraschallechos sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann die Entfernung zu dem Objekt berechnet werden.
-
Die Ultraschallsensoren umfassen typischerweise einen Schallwandler mit einer Membran, einem Wandlerelement und einem Gehäuse. Bei dem Wandlerelement handelt es sich beispielsweise um ein piezokeramisches Element, welches nach Anlegen einer elektrischen Spannung die Membran in eine Schwingung versetzt bzw. zum Empfangen von Ultraschallechos die vom Schalldruck vor der Membran angeregten Schwingungen auf der Membran in ein elektrisches Signal umwandelt. Derartige Schallwandler sind im Stand der Technik bekannt, siehe hierzu beispielsweise
DE 10 2012 201 884 A1 . Es ist bekannt, solche Ultraschallsensoren einteilig aus einem Kunststoff auszubilden.
-
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler zu entwickeln, dessen Schwingungsverhalten von Membran und Membrantopf einfacher eingestellt werden können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Schallwandler gemäß des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Der Schallwandler umfasst einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse. Der Membrantopf selbst weist hierbei eine Membran und eine Wandung auf. Die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses ist einstückig aus einem Kunststoff ausgebildet. Beispiele für solch einen Kunststoff sind Epoxidharz, Polyurethan, Polyamid oder Polyoxymethylen. Der Kunststoff bezeichnet hierbei ein Matrixmaterial, also entsprechend den Grundwerkstoff des Schallwandlers. Durch Verwendung eines solchen einheitlichen Matrixwerkstoffes kann der Schallwandler beispielsweise in nur einem Prozess einteilig erzeugt werden. In mindestens einem ersten Bereich des Membrantopfs ist der Kunststoff, aus dem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind, mit einem ersten Füllstoff gefüllt. Durch die Füllung des Kunststoffs mit dem ersten Füllstoff in dem mindestens einen ersten Bereich des Membrantopfs kann das Schwingverhalten des Membrantopfs einfach auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Bereiche des Membrantopfs, die bei einer Anregung der Membran durch Ultraschallsignale weniger stark mitschwingen sollen, können in diesem Zusammenhang beispielsweise mit einem Füllstoff gefüllt sein und somit eine höhere innere Dämpfung aufweisen, als Bereiche ohne Füllstoff. Möglichkeiten zur Herstellung solch eines Schallwandlers sind beispielsweise das Multi-Materialspritzgussverfahren oder das Injektionsverfahren. Durch die konstruktive Gestaltung des zugehörigen Werkzeugs und einer vorgesehenen zeitlichen Abfolge der Injektion können verschiedene Bereiche im Schallwandler erzeugt werden.
-
Vorzugsweise ist der Kunststoff, aus dem der Membrantopf einstückig ausgebildet ist, nicht vollständig mit dem ersten Füllstoff gefüllt. Es ist mindestens ein zweiter Bereich des Membrantopfs ausgebildet, der frei von jeglichen Füllstoffen ist. So kann beispielsweise der Kunststoff in dem Bereich der Wandung des Membrantopfs mit dem ersten Füllstoff gefüllt sein, der Kunststoff im Bereich der Membran jedoch frei von dem ersten Füllstoff sein. Somit können ungewollte Schwingungen der Wandung verhindert oder zumindest reduziert werden. Es besteht in diesem Zusammenhang auch die Möglichkeit, Bereiche des Membrantopfs, welche im Vergleich zu anderen Bereichen keine hohe Funktionsfähigkeit erfordern, mit sogenannten inaktiven Füllstoffen zu füllen. Solche inaktiven Füllstoffe sind als Werkstoffe deutlich billiger als das Kunststoffmaterial und dienen dazu den Kunststoff zu strecken. Alternativ oder zusätzlich ist mindestens ein dritter Bereich des Membrantopfs ausgebildet, innerhalb dessen der Kunststoff mit einem zweiten Füllstoff gefüllt ist, der unterschiedlich zu dem ersten Füllstoff ist. Somit ergibt sich eine weitere Möglichkeit, zur Einstellung des Schwingverhaltens des Membrantopfs. Beispielsweise kann der Kunststoff in bestimmten Bereichen der Membran mit zueinander unterschiedlichen Füllstoffen gefüllt sein, um somit eine bestimmte, gewünschte Richtcharakteristik des Schallwandlers zu erreichen. In dem ersten und/oder dritten Bereich des Membrantopfs liegt der Volumenanteil der Füllstoffe zwischen 5 und 80 Prozent. Vorzugsweise liegt der Volumenanteil der Füllstoffe zwischen 15 und 60 Prozent. Der Volumenteil in dem ersten und dritten Bereich des Membrantopfs kann jeweils gleich oder unterschiedlich sein
-
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten oder zweiten Füllstoff um Kurzfasern. Kurzfasern weisen den Vorteil eines relativ hohen Elastizitätsmoduls bei gleichzeitig geringem Gewicht gegenüber anderen möglichen Füllstoffen auf. Somit ist beispielsweise eine Ausbildung der Wandung des Membrantopfs mit geringer Wandstärke im Vergleich zu Wandungen aus Kunststoff ohne Füllung mit Kurzfasern möglich. Alternativ kann es sich bei dem ersten und zweiten Füllstoff um Kurzfasern handeln. Somit kann beispielsweise der Kunststoff in einem Bereich des Membrantopfs mit geschnittenen Kohlenstofffasern und in einem zweiten Bereich zumindest teilweise mit Kurzglasfasern gefüllt sein. Kurzfasern aus im Wesentlichen Kohlenstoff weisen ein im Vergleich zu den kurzen Glasfasern höheres Elastizitätsmodul auf und sind daher für Bereiche zu bevorzugen, in denen eine höhere Steifigkeit erforderlich ist. Kurze Glasfasern weisen demgegenüber eine höhere Zug- und Druckfestigkeit auf, was zu einer Aussteifung des Kunststoffes bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilität sorgen kann.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten oder zweiten Füllstoff um wenigstens ein Material, welches eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind. Ein Beispiel hierfür ist Metallpulver aus Aluminium und/oder Messing und/oder Edelstahl. Die Partikel des Metallpulvers können hierbei eine symmetrische Form in Form beispielsweise einer Kugel aufweisen. Alternativ können die Partikel des Metallpulvers aber auch eine unsymmetrische Form aufweisen. Bevorzugt ist die Partikelgröße kleiner als die kleinste Abmessung des Schallwandlers. Ein Kunststoff, welcher mit solch einem Füllstoff gefüllt ist, weist eine größere Dichte und Steifigkeit im Vergleich zu einem ungefüllten Kunststoff auf. Durch die Erhöhung der Dichte und Steifigkeit kann beispielsweise die akustische Impedanz von bestimmten Bereichen des Membrantopfs erhöht werden. Auch weist beispielsweise ein Kunststoff, welcher mit solch einem Füllstoff gefüllt ist, eine erhöhte Robustheit gegenüber dem Eindringen von Fremdartikeln auf. So können beispielsweise Bereiche, die gegenüber der äußeren Umgebung nicht abgeschlossen sind, zum Schutz gegenüber Fremdartikeln mit solch einem Füllstoff gefüllt sein. Abhängig von dem Metall, aus dem das Metallpulver ausgebildet ist, ist die Wirkung der oben beschriebenen Effekte unterschiedlich stark ausgeprägt. So weist Aluminium beispielsweise eine niedrigere Dichte und ein geringeres Elastizitätsmodul auf, als Messing. So kann es auch sein, dass es sich bei dem ersten und zweiten Füllstoff um wenigstens ein Material, welches eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind, handelt. Ein erster Bereich, der einen hohen Schutz gegenüber dem Eindringen von Fremdpartikeln aufweisen sollte, kann beispielsweise aus einem mit Messingpulver gefüllten Kunststoff ausgebildet sein. Ein zweiter Bereich des Membrantopfs, der vergleichsweise keinen hohen Schutz gegenüber dem Eindringen von Fremdpartikeln verlangt kann mit einem Füllstoff gefüllt sein, welcher in der Herstellung vergleichsweise billig ist.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten oder zweiten Füllstoff um wenigstens ein Material, welches eine niedrigere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind. Insbesondere handelt es sich hierbei um luftgefüllte Glashohlkörper oder luftgefüllte Kunststoffhohlkörper. Bei dem Kunststoff, aus dem die Kunststoffhohlkörper ausgebildet sind, kann es sich beispielsweise um denselben Kunststoff handeln, aus welchem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind. Alternativ kann es sich aber auch um einen unterschiedlichen Kunststoff handeln. Die Hohlkörper können hierbei eine symmetrische Form in Form beispielsweise einer Kugel oder einer Hohlfaser aufweisen. Alternativ können die Hohlkörper auch eine unsymmetrische Form aufweisen. Bevorzugt ist die Hohlkörpergröße kleiner als die kleinste Abmessung des Schallwandlers. Ein Kunststoff, welcher mit solch einem Füllstoff gefüllt ist, weist eine geringere Dichte und Steifigkeit im Vergleich zu einem ungefüllten Kunststoff auf. Durch die Verringerung der Dichte und Steifigkeit kann beispielsweise die akustische Impedanz von bestimmten Bereichen des Membrantopfs verringert werden. Somit kann beispielsweise die Richtcharakteristik der Membran des Membrantopfs eingestellt werden. Auch kann es sich bei dem ersten und zweiten Füllstoff um ein Material handeln, welches eine niedrigere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Teil des Gehäuses einstückig ausgebildet sind. Luftgefüllte Glashohlkörper sind in der Herstellung beispielsweise billiger als luftgefüllte Kunststoffhohlkörper, besitzen dafür aber geringere Dichte und Steifigkeit als luftgefüllte Kunststoffhohlkörper. Diese unterschiedlichen Eigenschaften können für unterschiedliche Bereiche des Membrantopfs genutzt werden.
-
Bevorzugt ist die Membran des Membrantopfs zumindest teilweise aus dem mit dem ersten Füllstoff gefüllten Kunststoff ausgebildet. Hierbei ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Gestaltung der Membran. Beispielsweise kann der Kunststoff zumindest in einem inneren, kreisförmigen Bereich der Membran mit einem ersten Füllstoff gefüllt sein. So kann beispielsweise die Impedanz der Membran auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Auch kann beispielsweise der Kunststoff in einem inneren, ellipsenförmigen Bereich der Membran mit einem ersten Füllstoff gefüllt sein. So kann die Richtcharakteristik der Membran optimiert werden. Vorzugsweise ist der Kunststoff im Bereich der Wandung des Membrantopfs und des zumindest einen Teil des Gehäuses frei von Füllstoffen. Hierdurch ergibt sich ein preisgünstiger Schallwandler.
-
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallsensor mit dem zuvor beschriebenen Schallwandler.
-
Figurenliste
-
- 1 bis 8 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schallwandlers.
- 9 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor.
-
1 zeigt in der Draufsicht eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10a. Die gestrichelte Linie 35 soll hierbei die in dieser Draufsicht nicht erkennbare Innenfläche der Wandung des Membrantopfs darstellen. Die weitere gestrichelte Linie 45 stellt hierbei die in dieser Draufsicht nicht erkennbare Innenfläche eines Teils des Gehäuses 40 dar.
-
Der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 des Schallwandlers 10a einstückig ausgebildet sind, ist in dieser ersten Ausführungsform in einem ersten Bereich 30a, welcher der Membran 5 entspricht, vollständig mit einem ersten Füllstoff gefüllt. Bei dem ersten Füllstoff handelt es sich um ein Material, welches eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Füllstoff um ein Metall und/oder eine Keramik handeln. Durch diese Ausgestaltung kann nicht nur die Übertragung von Schwingungen auf den Gehäuseteil 40 reduziert werden, sondern es können zusätzlich die mechanischen Eigenschaften der Membran 5 derart eingestellt werden, dass ein bestimmtes vorgegebenes Abstrahlverhalten erreicht wird. Zum anderen wird hiermit die Robustheit der Membran 5 gegenüber dem Eindringen von Fremdartikel in das Innere des Schallwandlers 10a erhöht.
-
2 zeigt in der Draufsicht eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10b. Hierbei ist im Unterschied zu der ersten Ausführungsform des Schallwandlers 10a in 1, der Kunststoff in einem ersten kreisförmigen Bereich 30b im Zentrum der Membran 5 mit Kurzfasern als erste Füllstoffe gefüllt. In einem zweiten Bereich 30c, der den ersten Bereich 30b ringförmig umgibt, ist der Kunststoff mit einem zweiten Füllstoff gefüllt, welcher eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. In einem äußeren Rand 30d der Membran 5, sowie im Rest des Schallwandlers 10b ist der Kunststoff hierbei wieder mit dem ersten Füllstoff gefüllt. Durch die Gestaltung des Schallwandlers mit in bestimmten Bereichen unterschiedlich verstärkter Membran 5 bietet sich die Möglichkeit zwei oder mehr resonante Arbeitsfrequenzen mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken der Schallabstrahlung und des Schallempfangs zu realisieren. Mehrere Arbeitsfrequenzen können mit Hilfe einer geeigneten Elektronik genutzt werden, um Situationsabhängig eine geeignete Richtcharakteristik auszuwählen.
-
3 zeigt in der Draufsicht eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10c. Hierbei ist einem ersten, ellipsenförmigen Bereich 30f im Zentrum der Membran 5 der Kunststoff mit einem ersten Füllstoff gefüllt, welcher eine niedrigere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. In einem dritten Bereich im Rest des Schallwandlers 10c ist der Kunststoff hierbei frei von Füllstoffen. Auch hiermit lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Membran 5 derart eingestellt werden, dass ein bestimmtes vorgegebenes Abstrahlverhalten erreicht wird.
-
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10d im Längsschnitt. Hierbei ist der Kunststoff in einem ersten Bereich 30g im Zentrum der Membran 5 mit einem ersten Füllstoff gefüllt, welcher eine niedrigere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. Der Kunststoff ist in einem zweiten Bereich 30h im Randbereich der Membran und im Bereich der Wandung des Membrantopfs 20 demgegenüber mit einem zweiten Füllstoff gefüllt, welcher eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. In einem dritten Bereich im Sensorgehäuse 40 ist der Kunststoff hierbei frei von Füllstoffen. Durch diese Gestaltung des Schallwandlers lässt sich beispielsweise verhindern, dass sich die Schwingungen der Membran 5 auf den Membrantopf 20 und weiter auf das Sensorgehäuse 40 ausbreiten.
-
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10e im Längsschnitt. Hierbei ist im Unterschied zu der vierten Ausführungsform in 4, der Kunststoff im Randbereich 30j der Membran 5, in der Wandung des Membrantopfs 20 und in dem Teil des Sensorgehäuses 40 mit Kurzfasern gefüllt.
-
In 6 ist wiederum im Unterschied zu der fünften Ausführungsform in 5 der Kunststoff in einem ersten Bereich 30k, welcher der Membran 5 entspricht, vollständig mit dem ersten Füllstoff gefüllt. Der erste Füllstoff weist hierbei eine niedrigere Dichte auf, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind.
-
Auch durch die in 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen des Schallwandlers 10e und 10f lassen sich beispielsweise verhindern, dass Membrantopf und Sensorgehäuse während einer Schwingung der Membran mitschwingen.
-
7 zeigt im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen einen Schallwandler 10g, bei dem die Membran 5 zumindest teilweise zweilagig ausgebildet ist. Der Kunststoff ist hierbei in einem ersten Bereich, in einer unteren Lage 301 der Membran 5, welche zur Innenseite des Schwallwandlers 10g gerichtet ist, mit einem ersten Füllstoff gefüllt. Der erste Füllstoff weist hierbei eine niedrigere Dichte auf, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. In einer zweiten Lage 30m der Membran 5, welche zur Außenumgebung des Schallwandlers 10g gerichtet ist, ist der Kunststoff demgegenüber mit Kurzfasern gefüllt. 8 zeigt demgegenüber eine weitere Möglichkeit der Gestaltung, bei der jedoch die untere Lage 30n der Membran 5 mit einem ersten Füllstoff gefüllt ist, welcher eine höhere Dichte aufweist, als der Kunststoff, aus dem die Membran 5, die Wandung des Membrantopfs 20 und zumindest ein Teil des Gehäuses 40 einstückig ausgebildet sind. Durch die zweilagige Ausbildung der Membran können in beiden Fällen Impedanzanpassungsschichten zur Anwendung des Schallwandlers z.B. in Wasser erzeugt werden.
-
9 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 60. In diesem Fall umfasst der Ultraschallsensor 60 den Schallwandler 10e gemäß 5. Er könnte jedoch auch jede andere Schallwandlerform gemäß der vorherigen Ausführungsformen umfassen. Zusätzlich weist der Ultraschallsensor 60 hierbei ein Wandlerelement 70 in Form eines Piezoelements auf, welches an der Unterseite der Membran 5e angeordnet ist. Das Wandlerelement 70 ist hierbei über ein Verbindungskabel 90 mit den elektronischen Bauteilen 80 des Ultraschallsensors 60 verbunden. Bei den elektronischen Bauteilen 90 des Ultraschallsensors 60 kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte und/oder eine Recheneinheit des Ultraschallsensors 60 handeln.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012201884 A1 [0003]
