DE102021133906A1 - Ultrasonic transducer with housing - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (1) mit einem Gehäuse, das ein Kunststoffmaterial aufweist, wobei das Gehäuse einen Boden (2) und eine Gehäusewand umfasst, wobei die Gehäusewand einen ersten Abschnitt (3), der an den Boden (2) anschließt, und einen zweiten Abschnitt (4) umfasst, wobei der erste und der zweite Abschnitt (4) verschiedene Abmessungen aufweisen, wobei ein Übergangsabschnitt (5) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (4) vorgesehen ist und wobei eine Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt (5) steht, schräg zu einer Flächennormalen ist, die senkrecht auf dem Boden (2) steht, und schräg zu einer Flächennormalen ist, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten und zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt (4) steht. Auf dem Boden (2) ist hierbei ein Wandlerelement (6) angeordnet ist, das dazu ausgestaltet ist, den Boden (2) zu einer Vibration mit einer Frequenz im Ultraschall-Bereich anzuregen.Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Gehäuses per Spritzguss.The present invention relates to an ultrasonic transducer (1) with a housing which has a plastic material, the housing comprising a base (2) and a housing wall, the housing wall having a first section (3) which adjoins the base (2), and a second section (4), the first and second sections (4) having different dimensions, a transition section (5) being provided between the first and second sections (4) and a surface normal being perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section (5), is oblique to a surface normal that is perpendicular to the floor (2), and is oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section and to the outside of the housing wall in the second section (4 ) stands. A transducer element (6) is arranged on the base (2) and is designed to excite the base (2) to vibrate with a frequency in the ultrasonic range. The present invention also relates to a method for producing a corresponding housing by injection molding.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Gehäuse und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to an ultrasonic transducer with a housing and a method for its manufacture.
Bekannte Ultraschallwandler für den Frequenzbereich von 40 bis 80 kHz umfassen in der Regel Aluminiumgehäuse. Ein Abschnitt des Gehäuses bildet in der Regel die Membran, die in einer Ultraschallfrequenz vibrieren kann. Im Weiteren dient das Gehäuse als Träger des Wandlerelements und als Resonanzkörper. Die Vibration der Membran kann in unerwünschter Weise auf das restliche Gehäuse übertragen werden. Auch ist in der Regel eine mechanische Dämpfung durch direkten Kontakt der Membran mit einem Dämpfungselement notwendig, da bei mangelnder Dämpfung der Membran geringe Abstände nicht mehr per Ultraschall gemessen werden können. Zu große Dämpfung führt dagegen zu mangelnder Sensitivität des Sensors, sodass insbesondere große Abstände nicht mehr gemessen werden können.Known ultrasonic transducers for the frequency range from 40 to 80 kHz usually have aluminum housings. A portion of the housing typically forms the diaphragm, which can vibrate at an ultrasonic frequency. Furthermore, the housing serves as a carrier for the transducer element and as a resonance body. The vibration of the diaphragm can be transmitted to the rest of the housing in an undesirable manner. Mechanical damping is also usually necessary through direct contact of the membrane with a damping element, since small distances can no longer be measured using ultrasound if the membrane is not sufficiently damped. Excessive damping, on the other hand, leads to a lack of sensitivity of the sensor, so that large distances in particular can no longer be measured.
Ein entsprechender Ultraschallwandler mit Aluminiumgehäuse ist beispielsweise aus der
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es einen verbesserten Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.An object of the present invention is to provide an improved ultrasonic transducer and a method for its manufacture.
Es wird ein Ultraschallwandler mit einem Gehäuse bereitgestellt, das ein Kunststoffmaterial aufweist.An ultrasonic transducer is provided with a housing that includes a plastic material.
Das Gehäuse umfasst einen Boden und eine Gehäusewand. Eine Außenseite der Gehäusewand umfasst einen ersten Abschnitt, der an den Boden anschließt, und einen zweiten Abschnitt, der bevorzugt nicht an den Boden anschließt. Der zweite Abschnitt schließt sich an eine Gehäuseöffnung an.The housing includes a floor and a housing wall. An outer side of the housing wall comprises a first section which adjoins the floor and a second section which preferably does not adjoin the floor. The second section connects to a housing opening.
Der erste und der zweite Abschnitt weisen verschiedene Abmessungen auf. Insbesondere können der erste und der zweite Abschnitt verschiedene Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu einer Flächennormale des Bodens bzw. parallel zum Boden aufweisen.The first and second sections have different dimensions. In particular, the first and the second section can have different dimensions in a direction perpendicular to a surface normal of the floor or parallel to the floor.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt ist weiterhin ein Übergangsabschnitt vorgesehen. Das Gehäuse umfasst also in dieser Reihenfolge den Boden, den anschließenden ersten Abschnitt der Gehäusewand, den an den ersten Abschnitt anschließenden Übergangsabschnitt der Gehäusewand und den an den Übergangsabschnitt anschließenden zweiten Abschnitt der Gehäusewand sowie die an den zweiten Abschnitt anschließende Gehäuseöffnung. In einer Richtung parallel zum Boden weisen der erste Abschnitt, der Übergangsabschnitt und der zweite Abschnitt dabei bevorzugt verschiedene Abmessungen auf. Die Abschnitte können ebenso verschiedene Abmessungen in einer Richtung senkrecht zum Boden aufweisen.A transition section is also provided between the first and second sections. The housing thus comprises in this order the bottom, the adjoining first section of the housing wall, the transition section of the housing wall adjoining the first section and the second section of the housing wall adjoining the transition section, as well as the housing opening adjoining the second section. In a direction parallel to the floor, the first section, the transition section and the second section preferably have different dimensions. The sections can also have different dimensions in a direction perpendicular to the ground.
Der Übergangsabschnitt schließt sich bevorzugt direkt an den ersten Abschnitt an und der zweite Abschnitt schließt sich bevorzugt unmittelbar an den Übergangsabschnitt an. Das heißt, dass die Gehäusewand bevorzugt keine weiteren Abschnitte neben den drei genannten Abschnitten aufweist.The transition section preferably follows directly on the first section and the second section preferably follows directly on the transition section. This means that the housing wall preferably has no further sections apart from the three sections mentioned.
Eine Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, ist darüber hinaus schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht auf dem Boden steht. Weiterhin ist die Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, schräg zu einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten Abschnitt steht. Weiterhin ist die Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, schräg zu einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt steht.A surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section is also inclined to a surface normal that is perpendicular to the floor. Furthermore, the surface normal, which is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section, is oblique to a surface normal, which is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section. Furthermore, the surface normal, which is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section, is oblique to a surface normal, which is perpendicular to the outside of the housing wall in the second section.
Ein Wandlerelement ist auf dem Boden angeordnet, das dazu ausgestaltet ist, den Boden zu einer Vibration mit einer Frequenz im Ultraschall-Bereich anzuregen.A transducer element is disposed on the floor and is configured to excite the floor to vibrate at a frequency in the ultrasonic range.
Die Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, ist also schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht auf dem Boden steht, schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten Abschnitt steht, und schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt steht.The surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section is oblique to a surface normal that is perpendicular to the floor, oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section, and oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the second section.
Insbesondere ist bezogen auf eine Schnittebene des Gehäuses die Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht auf dem Boden steht, schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten Abschnitt steht, und schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt steht. Alle hier genannten Flächennormalen liegen also in einer Ebene, nämlich in derselben Schnittebene des Gehäuses, vor.In particular, in relation to a sectional plane of the housing, the surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section is oblique to a surface normal that is perpendicular to the floor, oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section, and oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the second section. All surface normals mentioned here are therefore in one plane, namely in the same sectional plane of the housing.
In einer Ausführungsform ist jede Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts steht, schräg zu jeder Flächennormale, die senkrecht auf dem Boden steht.In one embodiment, each surface normal that is normal to the outside of the transition section is oblique to each surface normal that is normal to the ground.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts steht, weiterhin schräg zu jeder Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des ersten Abschnitts steht.In a preferred embodiment, each surface normal that is perpendicular to the outside of the transition section is also oblique to each surface normal that is perpendicular to the outside of the first section.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jede Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts steht, weiterhin schräg zu jeder Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des zweiten Abschnitts steht.In a further preferred embodiment, each surface normal that is perpendicular to the outside of the transition section is also oblique to each surface normal that is perpendicular to the outside of the second section.
Bevorzugt ist jede Flächennormale, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts steht, schräg zu jeder Flächennormale, die senkrecht auf dem Boden oder der Außenseite des ersten Abschnitts oder der Außenseite des zweiten Abschnitts steht.Preferably, each surface normal that is perpendicular to the outside of the transition section is oblique to each surface normal that is perpendicular to the bottom or the outside of the first section or the outside of the second section.
Unter dem Begriff schräg wird hierbei und im Folgenden eine Stellung verstanden, die weder senkrecht noch parallel ist.Here and in the following, the term oblique is understood to mean a position that is neither vertical nor parallel.
Bevorzugt kann der Boden des Gehäuses ist als eine Membran ausgeprägt sein, die bei Anregung durch ein Wandlerelement oder durch äußere Schwingungen in einer Ultraschallfrequenz vibriert. Der Boden ist dazu sehr dünn, insbesondere dünner als die Gehäusewand, ausgestaltet.The bottom of the housing can preferably be designed as a membrane which vibrates at an ultrasonic frequency when excited by a transducer element or by external vibrations. For this purpose, the base is very thin, in particular thinner than the housing wall.
Das beschriebene Gehäuse mit Übergangsabschnitt hat den Vorteil, dass Vibrationen des Bodens kaum bzw. nur gedämpft in das übrige Gehäuse, insbesondere in den zweiten Abschnitt der Gehäusewand, übertragen werden. Dieser Effekt wird durch die geometrische Form des Gehäuses, die Ausprägung des Übergangsabschnitts und ein geeignetes Material für das Gehäuse unterstützt.The described housing with a transition section has the advantage that vibrations of the floor are hardly transmitted or are only transmitted in a damped manner to the rest of the housing, in particular to the second section of the housing wall. This effect is supported by the geometric shape of the housing, the shape of the transition section and a suitable material for the housing.
Insbesondere ermöglicht die geeignete Auswahl eines Kunststoffes mit entsprechenden Elastizitäts- und Dämpfungseigenschaften die Einstellung einer gewünschten Sensitivität bzw. Dämpfung von Vibrationen des Bodens, was die minimale und maximale messbare Distanz bestimmt. Bei zu hoher Dämpfung von Vibrationen des Bodens verringert sich die maximale messbare Distanz, bei zu niedriger Dämpfung erhöht sich die minimale messbare Distanz.In particular, the appropriate selection of a plastic with appropriate elasticity and damping properties enables the setting of a desired sensitivity or damping of vibrations of the floor, which determines the minimum and maximum measurable distance. If the damping of floor vibrations is too high, the maximum measurable distance decreases, if the damping is too low, the minimum measurable distance increases.
Weiterhin weist das beschriebene Gehäuse eine hohe Stabilität insbesondere gegenüber mechanischem Druck auf die Außenseite der Gehäusewand auf. Somit ist das beschriebene Gehäuse besonders geeignet, um in automatisierten Montageprozessen verbaut zu werden, in deren Zuge Druck auf die Außenseite der Gehäusewand, beispielsweise durch Greifarme, ausgeübt wird.Furthermore, the housing described has a high level of stability, in particular with respect to mechanical pressure on the outside of the housing wall. The housing described is therefore particularly suitable for being installed in automated assembly processes, during which pressure is exerted on the outside of the housing wall, for example by gripping arms.
Insbesondere die Verwendung eines geeigneten Kunststoffmaterials ermöglicht eine vielseitige, variable und den Montage-und Anwendungsbedingungen angepasste Form des Gehäuses, das dann beispielsweise in einem Spritzgussprozess hergestellt werden kann.In particular, the use of a suitable plastic material enables a versatile, variable shape of the housing that is adapted to the assembly and application conditions and can then be produced, for example, in an injection molding process.
Gemäß einer Ausführungsform schließen eine Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, und eine Flächennormale, die senkrecht auf dem Boden steht, einen Winkel zwischen 1° und 89° , bevorzugt zwischen 5° und 85° und noch bevorzugter zwischen 10° und 80° ein. Dasselbe gilt bevorzugt für einen Winkel zwischen einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, und einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten Abschnitt steht, und ebenso für einen Winkel zwischen einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, und einer Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt steht.According to one embodiment, a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section and a surface normal that is perpendicular to the floor form an angle of between 1° and 89°, preferably between 5° and 85° and even more preferably between 10° and 80° in. The same preferably applies to an angle between a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section and a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section, and also for an angle between a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section, and a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the second section.
Durch eine solche schräge Stellung der Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt wird eine Vibration im Gehäuse zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Gehäusewand gedämpft. Weiterhin erhöht dies die Stabilität des Gehäuses gegen Druck auf die Außenseite der Gehäusewand.A vibration in the housing between the first and the second section of the housing wall is dampened by such an inclined position of the outside of the housing wall in the transition section. Furthermore, this increases the stability of the housing against pressure on the outside of the housing wall.
Bildet die Gehäusewand im Übergangsabschnitt eine ebene schräge Fläche, steht bevorzugt jede beliebige Flächennormale dieser Fläche schräg zu einer Flächennormalen des Bodens, bevorzugt in einem Winkel zwischen 1° und 89°, bevorzugter in einem Winkel zwischen 5° und 85° und noch bevorzugter in einem Winkel zwischen 10° und 80°.If the housing wall forms a flat inclined surface in the transition section, any surface normal of this surface is preferably inclined to a surface normal of the base, preferably at an angle between 1° and 89°, more preferably at an angle between 5° and 85° and even more preferably at an angle Angles between 10° and 80°.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt gewölbt. Die Gehäusewand kann sowohl eine konkave wie auch eine konvexe Wölbung nach außen oder beides aufweisen. Die Gehäusewand im Übergangsabschnitt kann auch einen oder mehrere gewölbte und ebene Abschnitte umfassen.According to one embodiment, the outside of the housing wall is curved in the transition section. The housing wall can have both a concave and a convex outward curvature or both. The housing wall in the transition section can also include one or more curved and planar sections.
Insbesondere kann angrenzend zum ersten Abschnitt ein gewölbter Abschnitt vorgesehen sein und angrenzend zum zweiten Abschnitt ein ebener Abschnitt vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können auch nebeneinander schräge und gewölbte Abschnitte angeordnet sein, die jeweils an den ersten und den zweiten Abschnitt oder nur an einen von beiden Abschnitten anschließen.In particular, a curved section can be provided adjacent to the first section and a flat section can be provided adjacent to the second section. As an alternative or in addition, oblique and arched sections can also be arranged next to one another, each adjoining the first and the second section or only one of the two sections.
Durch eine so ausgebildete Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt kann das Vibrationsverhalten des Gehäuses gezielt eingestellt werden und insbesondere das Vibrationsverhalten einzelner Gehäuseabschnitte an hierfür gewünschte Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann eine Dämpfung von Vibrationen im Gehäuse zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Gehäusewand erzielt werden, sodass zumindest in gewünschten Abschnitten des zweiten Abschnitts der Gehäusewand nur eine geringe oder keine Vibrationen auftreten. In anderen Abschnitten der Gehäusewand, auch im zweiten Abschnitt, können die Vibrationen stärker ausgeprägt sein. Weiterhin erhöht dies die Stabilität des Gehäuses gegen Druck auf die Außenseite der Gehäusewand, insbesondere während der Montage des Gehäuses.With an outside of the housing wall designed in this way in the transition section, the Vib ration behavior of the housing can be adjusted in a targeted manner and in particular the vibration behavior of individual housing sections can be adapted to the requirements desired for this. In particular, a damping of vibrations in the housing between the first and the second section of the housing wall can be achieved, so that only little or no vibration occurs at least in desired sections of the second section of the housing wall. In other sections of the housing wall, including the second section, the vibrations can be more pronounced. Furthermore, this increases the stability of the housing against pressure on the outside of the housing wall, in particular during assembly of the housing.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Kunststoffmaterial einen Gütefaktor Q als Maß für die Dämpfung zwischen 10 und 100, bevorzugt zwischen 10 und 65 auf. Bevorzugter liegt der Gütefaktor Q zwischen 25 und 50. Der Gütefaktor ist ein Maß für die Dämpfung bzw. den Energieverlust eines zu Schwingungen fähigen Systems. Eine hohe Güte eines Systems besagt, dass das System schwach gedämpft ist. Der gewünschte Gütefaktor kann durch eine geeignete Wahl des Kunststoffmaterials für das Gehäuse erhalten werden. Ein Boden aus einem Kunststoffmaterial mit dem gewählten Gütefaktor Q kann bei der Anwendung als Ultraschallwandler ausreichend zu Vibrationen angeregt und gedämpft werden. According to one embodiment, the plastic material has a quality factor Q as a measure of the damping between 10 and 100, preferably between 10 and 65. More preferably, the quality factor Q is between 25 and 50. The quality factor is a measure of the damping or energy loss of a system capable of oscillation. A high quality of a system means that the system is weakly damped. The desired figure of merit can be obtained by an appropriate choice of plastic material for the housing. A base made of a plastic material with the selected quality factor Q can be sufficiently excited and dampened to vibrate when used as an ultrasonic transducer.
Insbesondere kann das Gehäuse aus dem Kunststoffmaterial bestehen. Das ganze Gehäuse umfassend den Boden und die Gehäusewand kann aus dem Kunststoffmaterial bestehen. Das Kunststoffmaterial kann über das gesamte Gehäuse homogene Eigenschaften aufweisen. Unterschiede in der Dämpfung oder der mechanischen Stabilität, insbesondere der Stabilität gegen Druck von außen, zwischen einzelnen Abschnitten des Gehäuses werden im vorliegenden Gehäuse bevorzugt nicht durch verschiedene Zusammensetzungen des Gehäusematerials sondern durch die geeignet ausgestaltete Gehäuseform erzielt.In particular, the housing can consist of the plastic material. The entire housing, including the bottom and the housing wall, can be made of the plastic material. The plastic material can have homogeneous properties over the entire housing. Differences in the damping or the mechanical stability, in particular the stability against external pressure, between individual sections of the housing are preferably not achieved in the present housing by different compositions of the housing material but by the suitably designed housing shape.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Kunststoffmaterial ein E-Modul von mindestens 1 GPa auf. Bevorzugt weist das Kunststoffmaterial ein E-Modul von mindestens 10 GPa auf. Ein Boden aus dem Kunststoffmaterial mit dem gewählten E-Modul kann bei der Anwendung als Ultraschallwandler ausreichend zu Vibrationen angeregt und gedämpft werden.According to one embodiment, the plastic material has a modulus of elasticity of at least 1 GPa. The plastic material preferably has a modulus of elasticity of at least 10 GPa. A base made of the plastic material with the selected modulus of elasticity can be sufficiently excited and dampened to vibrate when used as an ultrasonic transducer.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Übergangsabschnitt so geformt, dass ein Vibrieren des ersten Abschnitts im zweiten Abschnitt gedämpft ist.According to one embodiment, the transition section is shaped such that vibration of the first section is dampened in the second section.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Boden eine runde und der erste Abschnitt eine zylinderförmige oder konische Form auf. Bevorzugt weist der Boden eine kreisrunde und der erste Abschnitt eine kreiszylinderförmige Form oder eine konische Form mit kreisförmiger Grundfläche auf. Der Boden bildet hierbei die Grundfläche des Zylinders oder des Konus, wobei Konus als ein Synonym für einen Kegelstumpf steht.According to one embodiment, the bottom has a round shape and the first section has a cylindrical or conical shape. The base preferably has a circular shape and the first section has a circular-cylindrical shape or a conical shape with a circular base area. The floor forms the base of the cylinder or the cone, with cone being a synonym for a truncated cone.
Im Falle einer konischen Form weicht diese bevorzugt nur geringfügig von einer zylindrischen Form ab. Die Mantelfläche des Konus weist also nur eine geringe Schräge von beispielsweise maximal 10°, bevorzugt maximal 5° gegenüber der Flächennormalen des Bodens auf.In the case of a conical shape, this preferably deviates only slightly from a cylindrical shape. The outer surface of the cone therefore has only a slight incline of, for example, a maximum of 10°, preferably a maximum of 5°, relative to the surface normal of the base.
Insbesondere ist eine konische Form des Abschnitts zum Beispiel vorteilhaft um die Stabilität des Gehäuses gegen einen äußeren Druck zu erhöhen.In particular, a conical shape of the section is advantageous, for example, to increase the stability of the housing against external pressure.
Gemäß einer Ausführungsform weist der zweite Abschnitt parallel zum Boden größere Abmessungen als der erste Abschnitt auf. Im Übergangsabschnitt verbreitert sich das Gehäuse dann von der Abmessung des ersten Abschnitts zu der Abmessung des zweiten Abschnitts.According to one embodiment, the second section has larger dimensions parallel to the ground than the first section. In the transition section, the housing then widens from the dimension of the first section to the dimension of the second section.
Durch den Übergang in den Abmessungen der Abschnitte kann eine Einstellung des Vibrationsverhaltens der Gehäusewand und insbesondere eine Dämpfung von Vibrationen in der Gehäusewand oder in gewünschten Abschnitten der Gehäusewand erreicht werden.The transition in the dimensions of the sections makes it possible to adjust the vibration behavior of the housing wall and in particular dampen vibrations in the housing wall or in desired sections of the housing wall.
Eine breitere Abmessung des zweiten Abschnitts ermöglicht weiterhin die Einbettung einer Leiterplatte mit einer Auswerteelektronik des Ultraschallwandlers direkt im zweiten Abschnitt.A wider dimension of the second section also makes it possible to embed a printed circuit board with evaluation electronics of the ultrasonic transducer directly in the second section.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Innenraum des Gehäuses in einem unteren Abschnitt angrenzend zum Boden eine konische Form auf. Die Form des Innenraums des Gehäuses und einer Außenseite der Gehäusewand, die das Gehäuse an der Außenseite begrenzt, müssen sich nicht gleichen. Insbesondere können eine Innenseite der Gehäusewand, die den Innenraum des Gehäuses begrenzt, und die Außenseite der Gehäusewand verschiedene Schrägen aufweisen.According to an embodiment, an inner space of the housing has a conical shape in a lower portion adjacent to the bottom. The shape of the interior of the housing and an outside of the housing wall, which delimits the housing on the outside, do not have to be the same. In particular, an inside of the housing wall, which delimits the interior of the housing, and the outside of the housing wall can have different slopes.
Insbesondere kann der untere Abschnitt in dem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt sein, in dem an einer Außenseite der Gehäusewand der erste Abschnitt ausgeprägt ist. Der untere Abschnitt des Innenraums kann darüber hinaus jedoch auch in einem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt sein, in dem an der Außenseite der Gehäusewand der Übergangsabschnitt oder der zweite Abschnitt ausgeprägt sind.In particular, the lower section can be formed in the section of the housing in which the first section is formed on an outside of the housing wall. However, the lower section of the interior can also be pronounced in a section of the housing, in which the over on the outside of the housing wall passage section or the second section are pronounced.
Eine Innenseite des Gehäuses ist bevorzugt in einem Winkel zwischen 0,5° und 45°, bevorzugt zwischen 0,5° und 5°, besonders bevorzugt 2° gegenüber einer Zylindermantelfläche senkrecht zum Boden abgeschrägt.An inner side of the housing is preferably beveled at an angle of between 0.5° and 45°, preferably between 0.5° and 5°, particularly preferably 2° relative to a cylinder jacket surface perpendicular to the base.
Eine so ausgeprägte konische Form des Innenraums des Gehäuses erhöht dessen mechanische Stabilität und ermöglicht das Einsetzen eines vorgeformten Absorptionselements, ohne dass dieses bis zum Boden durchrutscht.Such a pronounced conical shape of the interior of the housing increases its mechanical stability and enables the insertion of a preformed absorption element without it slipping through to the floor.
Gemäß einer Ausführungsform verbreitert sich der Umriss des zweiten Abschnitts in der Richtung zum Boden hin. Dies erhöht die mechanische Stabilität des Gehäuses und führt zur Einstellung unterschiedlicher Vibrationen und insbesondere zur Dämpfung von Vibrationen in Abschnitten der Gehäusewand. Insbesondere muss dann ein größerer Unterschied in der Abmessung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt über den Übergangsabschnitt überbrückt werden, indem der Übergangsabschnitt beispielsweise weiter nach außen ausgebildet oder gewölbt ist, was die Dämpfung in der Gehäusewand aufgrund deren Formgebung weiter erhöht.According to one embodiment, the outline of the second portion widens in the direction towards the ground. This increases the mechanical stability of the housing and leads to the adjustment of different vibrations and in particular to the damping of vibrations in sections of the housing wall. In particular, a larger difference in the dimensions between the first and the second section must then be bridged via the transition section, for example by the transition section being formed further outwards or curved, which further increases the damping in the housing wall due to its shape.
Gemäß einer Ausführungsform weisen der zweite Abschnitt der Gehäusewand und der erste Abschnitt der Gehäusewand unterschiedliche geometrische Formen auf.According to one embodiment, the second section of the housing wall and the first section of the housing wall have different geometric shapes.
Dies ermöglicht eine genaue Einstellung des Vibrationsverhaltens in der Gehäusewand und insbesondere eine bessere Dämpfung von Vibrationen in einzelnen Abschnitten der Gehäusewand. Insbesondere muss dann ein Unterschied in der geometrischen Form zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt über den Übergangsabschnitt überbrückt werden, was einen Dämpfungseffekt in der Gehäusewand aufgrund deren Formgebung erhöht. Die unterschiedlichen geometrischen Formen sorgen dafür, dass der Übergangsabschnitt unregelmäßig geformt ist. Dadurch werden Vibrationen über den Übergangsabschnitt an verschiedenen Abschnitten verschieden übertragen, sodass die Vibrationen in einzelnen Abschnitten des zweiten Abschnitts gedämpft sind und in anderen Abschnitten verstärkt sind.This enables precise adjustment of the vibration behavior in the housing wall and, in particular, better damping of vibrations in individual sections of the housing wall. In particular, a difference in the geometric shape between the first and the second section must then be bridged over the transition section, which increases a damping effect in the housing wall due to its shape. The different geometric shapes ensure that the transition section is irregularly shaped. As a result, vibrations are transmitted across the transition section differently at different sections, so that the vibrations are dampened in individual sections of the second section and amplified in other sections.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Außenseite des zweiten Abschnitts eine rechteckige Umrissform auf.According to one embodiment, an outer side of the second section has a rectangular outline shape.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Innenraum des Gehäuses in einem oberen Abschnitt, der an die Gehäuseöffnung angrenzt ebenso eine rechteckige Umrissform auf. Bevorzugt sind die Umrissformen quadratisch.According to a preferred embodiment, an inner space of the housing also has a rectangular outline shape in an upper portion which adjoins the housing opening. The outline shapes are preferably square.
Insbesondere kann der obere Abschnitt in dem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt sein, in dem an einer Außenseite der Gehäusewand der zweite Abschnitt ausgeprägt ist. Der obere Abschnitt des Innenraums kann darüber hinaus jedoch auch in einem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt sein, in dem an der Außenseite der Gehäusewand der Übergangsabschnitt oder der erste Abschnitt ausgeprägt sind.In particular, the upper section can be formed in the section of the housing in which the second section is formed on an outside of the housing wall. However, the upper section of the interior space can also be formed in a section of the housing in which the transition section or the first section is formed on the outside of the housing wall.
Der Übergangsabschnitt kann dann einen gewölbten Abschnitt umfassen, der direkt an den ersten Abschnitt angrenzt und bis zu den Ecken der rechteckigen Form des zweiten Abschnitts reicht. Ferner kann der Übergangsabschnitt ebene schräge Abschnitte umfassen, die an die Seitenkanten der rechteckigen Umrissform des zweiten Abschnitts angrenzen. Eine solche Form ist hinsichtlich Stabilität des Gehäuses und Dämpfung im Übergangsabschnitt vorteilhaft.The transition section can then comprise a curved section which is directly adjacent to the first section and extends to the corners of the rectangular shape of the second section. Further, the transition portion may include planar sloping portions that abut the side edges of the rectangular outline of the second portion. Such a shape is advantageous in terms of stability of the housing and damping in the transition section.
Mit einer rechteckigen Form ist insbesondere auch eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken gemeint. Das Abrunden der Ecken verbessert die Handhabbarkeit des Gehäuses.A rectangular shape also means, in particular, a rectangular shape with rounded corners. Rounding the corners improves the handling of the case.
Über die bereits erläuterten Vorteile der Formgebung des zweiten Abschnitts hinaus ermöglicht dies das Einsetzen einer rechteckigen Leiterplatte mit Auswerteelektronik direkt in den zweiten Abschnitt. Eine rechteckige Leiterplatte ist einfacher zu fertigen als eine runde Leiterplatte. Darüber hinaus ist die Fertigung einer runden Leiterplatte mit beträchtlichem Materialverlust verbunden. Insbesondere beim Ausschneiden aus einem Wafer muss im Falle runder leiterplatten viel Material verworfen werden. Ein materialeinsparender Prozess ist kostengünstiger und nachhaltiger.In addition to the advantages of the shape of the second section that have already been explained, this makes it possible to insert a rectangular printed circuit board with evaluation electronics directly into the second section. A rectangular PCB is easier to manufacture than a round PCB. In addition, the production of a round printed circuit board involves a considerable loss of material. In the case of round printed circuit boards, a lot of material has to be discarded, especially when cutting out from a wafer. A material-saving process is more cost-effective and sustainable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Abschnitt eine runde Umrissform, insbesondere eine zylinderförmige oder konische Form, auf. Gemäß einer Ausführungsform weist ein Innenraum des Gehäuses im oberen Abschnitt ebenfalls eine zylinderförmige oder konische Form auf. Eine solche Formgebung ermöglicht auch den Einbau runder Leiterplatten direkt in das Gehäuse. Eine runde Gehäuseform ist weiterhin einfach zu fertigen. Der Außenumriss des zweiten Abschnittes der Gehäusewand und der Innenumriss des oberen Abschnitts im Innenraum des Gehäuses können auch verschieden geformt sein.According to a further embodiment, the second section has a round outline shape, in particular a cylindrical or conical shape. According to one embodiment, an interior space of the housing also has a cylindrical or conical shape in the upper section. Such a shape also allows round printed circuit boards to be installed directly in the housing. A round housing shape is still easy to manufacture. The outer outline of the second section of the housing wall and the inner outline of the upper section in the interior of the housing can also be shaped differently.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Wandlerelement um ein piezoelektrisches Element, zum Beispiel in Form einer Scheibe, handeln. Das piezoelektrische Element enthält ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine piezoelektrische Keramik. Weiterhin umfasst das Wandlerelement bevorzugt zwei Elektroden, die beispielsweise auf verschiedenen Seiten der piezoelektrischen Keramik anliegen, um ein elektrisches Signal abzugreifen bzw. eine elektrische Spannung in der Keramik aufzubauen. Das piezoelektrische Element ist bevorzugt auf der Innenseite des Bodens aufgeklebt.According to one embodiment, the transducer element may be a piezoelectric element, for example in the form of a disc. The piezoelectric element includes a piezo electrical material such as a piezoelectric ceramic. Furthermore, the converter element preferably comprises two electrodes which, for example, rest on different sides of the piezoelectric ceramic in order to pick up an electrical signal or to build up an electrical voltage in the ceramic. The piezoelectric element is preferably glued to the inside of the floor.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Leiterplatte im oberen Abschnitt des Innenraums des Gehäuses angeordnet, wobei die Leiterplatte als Deckel ausgestaltet ist, der die Gehäuseöffnung abdeckt, die dem Boden gegenüberliegt.According to one embodiment, a printed circuit board is arranged in the upper portion of the interior of the housing, the printed circuit board being designed as a lid covering the housing opening which is opposite to the bottom.
Das Gehäuse kann also die Form eines Topfes haben, der einen Boden und eine Gehäusewand und eine dem Boden gegenüberliegenden Gehäuseöffnung aufweist. Die Gehäuseöffnung ist bevorzugt durch einen Deckel verschlossen. Der Deckel kann die genannte Leiterplatte sein, auf der die Auswerteelektronik und eine Ansteuerelektronik des Ultraschallwandlers teilweise oder vollständig angeordnet sein können. Die Elektronik ist bevorzugt an der Innenseite der Leiterplatte im Gehäuseinnenraum angebracht und so von äußeren Einflüssen geschützt.The housing can therefore have the shape of a pot, which has a bottom and a housing wall and a housing opening opposite the bottom. The housing opening is preferably closed by a cover. The cover can be the printed circuit board mentioned, on which the evaluation electronics and control electronics of the ultrasonic transducer can be partially or completely arranged. The electronics are preferably attached to the inside of the printed circuit board in the interior of the housing and are thus protected from external influences.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Leiterplatte mittels eines elastischen Klebstoffes an mehreren separaten Kontaktflächen der Leiterplatte mit korrespondierenden Kontaktflächen im Innenraum des Gehäuses verklebt. Durch die Verwendung eines elastischen Klebstoffes wird eine mögliche Übertragung von Vibrationen im Gehäuse auf den Deckel, die insbesondere auch die Elektronik stören können, verringert bzw. ganz vermieden.According to one embodiment, the circuit board is bonded to corresponding contact surfaces in the interior of the housing by means of an elastic adhesive on a plurality of separate contact surfaces of the circuit board. The use of an elastic adhesive reduces or completely avoids the possible transmission of vibrations in the housing to the cover, which in particular can also disrupt the electronics.
Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil oder der ganze obere Abschnitt des Innenraums des Gehäuses unterhalb der Leiterplatte bzw. zwischen einem optionalen Absorptionselement und der Leiterplatte von einem Füllstoff ausgefüllt. Der Füllstoff wird bevorzugt in pastöser Form durch die Gehäuseöffnung eingeführt und anschließend gehärtet. Der Füllstoff umfasst bevorzugt ein Kunststoffmaterial oder Kunstharz. Der Füllstoff ist bevorzugt elastisch. Der Füllstoff kann ferner jedes weitere geeignete Material umfassen.According to one embodiment, at least part or the entire upper section of the interior of the housing below the circuit board or between an optional absorption element and the circuit board is filled with a filler. The filler is preferably introduced in pasty form through the housing opening and then hardened. The filler preferably comprises a plastic material or synthetic resin. The filler is preferably elastic. The filler may also include any other suitable material.
In einer Ausführungsform schließt die Leiterplatte als Deckel nicht bündig mit der umgebenden Gehäusewand ab, sondern ist abgesenkt im Innenraum des Gehäuses angeordnet. Der verbliebene Raum im Gehäuse, außerhalb des von Boden und Leiterplatte umschlossenen Innenraumes, ist zum Teil bevorzugt mit dem Füllstoff ausgefüllt. Bevorzugt bedeckt der Füllstoff dann nahezu die gesamte Leiterplatte, bis auf einen Abschnitt der Leiterplatte, an dem eine elektrische Kontaktierung nach außen vorgesehen ist. Die Leiterplatte ist so zusätzlich im Gehäuse festgelegt und vor äußeren Einflüssen geschützt.In one embodiment, the circuit board as a cover does not end flush with the surrounding housing wall, but is arranged sunken in the interior of the housing. The remaining space in the housing, outside of the interior space enclosed by the base and circuit board, is preferably partially filled with the filler. The filler then preferably covers almost the entire printed circuit board, except for a section of the printed circuit board on which electrical contact is provided to the outside. The printed circuit board is also fixed in the housing and protected from external influences.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Leiterplatte insbesondere auf Kontaktflächen im Innenraum des Gehäuses auf, an denen die Vibrationen im Gehäuse minimal sind (sogenannte Schwingungsknoten oder „Vibration Nodes“), um eine Übertragung der Vibrationen auf die Leiterplatte zu vermeiden.In a preferred embodiment, the circuit board rests in particular on contact surfaces in the interior of the housing where the vibrations in the housing are minimal (so-called vibration nodes) in order to prevent the vibrations from being transmitted to the circuit board.
Gemäß einer Ausführungsform ist im oberen Abschnitt des Innenraums des Gehäuses eine Stufe ausgeprägt, auf der die Leiterplatte aufliegt, und auf der die Kontaktflächen des Gehäuses vorgesehen sind. Die Stufe kann beispielsweise einen rechteckigen Umriss oder einen runden Umriss aufweisen. Bevorzugt gleicht die Umrissform der Stufe der des Innenraums im oberen Abschnitt.According to one embodiment, a step is formed in the upper section of the interior of the housing, on which the printed circuit board rests and on which the contact surfaces of the housing are provided. For example, the step may have a rectangular outline or a round outline. Preferably, the outline shape of the step is the same as that of the interior space in the upper portion.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sind die Kontaktflächen des Gehäuses an Ecken oder in der Mitte zwischen zwei Ecken der Stufe ausgeprägt. An diesen Stellen sind die Vibrationen im Gehäuse dann bevorzugt minimal.According to an exemplary embodiment, the contact surfaces of the housing are pronounced at corners or in the middle between two corners of the step. The vibrations in the housing are then preferably minimal at these points.
Das Wandlerelement und die Leiterplatte bzw. insbesondere die Auswerteelektronik der Leiterplatte sind elektrisch kontaktiert. Insbesondere sind bevorzugt mindestens zwei Kontaktierungen vorgesehen, um zwei unterschiedlich gepolte Elektroden des Wandlerelements zu kontaktieren.Electrical contact is made between the converter element and the printed circuit board or, in particular, the evaluation electronics of the printed circuit board. In particular, at least two contacts are preferably provided in order to contact two differently polarized electrodes of the converter element.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Leiterplatte und das Wandlerelement über leitende Spuren auf der Innenseite des Gehäuses elektrisch kontaktiert.According to one embodiment, the printed circuit board and the converter element are electrically contacted via conductive traces on the inside of the housing.
Insbesondere kann es sich um aufgedruckte oder aufgesputterte Spuren aus einem elektrisch leitfähigen Material wie einem Metall, bevorzugt Kupfer, oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoff handeln. Ein elektrisch leitfähiger Kunststoff enthält elektrisch leitfähige Partikel, beispielsweise Metallpartikel, die Kupfer umfassen.In particular, they can be printed or sputtered tracks made of an electrically conductive material such as a metal, preferably copper, or an electrically conductive plastic. An electrically conductive plastic contains electrically conductive particles, for example metal particles that include copper.
Alternativ können die Spuren in einer Ausführungsform auch innerhalb der Gehäusewand ausgeprägt sein, sodass nur Kontaktstellen der Spuren zur Kontaktierung mit der Auswerteelektronik und dem Wandlerelement an der Innenseite des Gehäuses, also insbesondere auf der Innenseite der Gehäusewand und des Bodens, freilegen.Alternatively, the tracks can also be formed within the housing wall in one embodiment, so that only contact points of the tracks for contacting the evaluation electronics and the converter element on the inside of the housing, i.e. in particular on the inside of the housing wall and the floor, are exposed.
Durch eine solche Ausführung werden Kontaktierungen durch Drähte im Innenraum des Gehäuses, deren Montage aufwändig und umständlich ist, überflüssig.Such a design eliminates the need for contacting by wires in the interior of the housing, the assembly of which is complex and cumbersome.
In einer Ausführungsform sind die leitenden Spuren mittels eines leitfähigen Klebstoffes mit elektrischen Kontakten auf der Leiterplatte kontaktiert. Es handelt sich insbesondere um die Kontakte der Auswerteelektronik auf der Leiterplatte. Bevorzugt ist der leitfähige Klebstoff weiterhin elastisch, sodass eine Übertragung von Vibrationen vom Gehäuse auf die Leiterplatte vermieden wird.In one embodiment, the conductive traces are bonded to electrical contacts on the circuit board by a conductive adhesive. In particular, this concerns the contacts of the evaluation electronics on the printed circuit board. The conductive adhesive is preferably also elastic, so that transmission of vibrations from the housing to the printed circuit board is avoided.
Durch eine solche Ausgestaltung der Kontaktierung über die Spuren und den elektrisch leitfähigen Kleber kann der Ultraschallwandler einfach durch ein Aufsetzen der Leiterplatte als Deckel zusammengebaut werden, ohne dass weitere Schritte zur Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Wandlerelement vorgenommen werden müssen.Such a configuration of the contact via the tracks and the electrically conductive adhesive allows the ultrasonic transducer to be assembled simply by placing the printed circuit board on as a cover, without having to take any further steps to make contact between the printed circuit board and the transducer element.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial elektrisch isolierend. Somit können die Spuren direkt auf das Kunststoffmaterial aufgebracht, bzw. in diesem ausgeprägt werden. Eine geeignete Methode zur Ausprägung der Spuren im Falle von einem Gehäuse bestehend aus einem elektrisch isolierenden Grundstoffmaterial wäre insbesondere eine Laserdirektstrukturierung (LDS).According to one embodiment, the plastic material is electrically insulating. The traces can thus be applied directly to the plastic material or embossed in it. A suitable method for forming the tracks in the case of a housing consisting of an electrically insulating base material would be laser direct structuring (LDS).
In einer Ausführungsform enden die Spuren in mehreren Kontaktflächen auf dem Boden. Das Wandlerelement ist bevorzugt an einem hierfür vorgesehenen Abschnitt mittels eines nicht leitenden Klebers auf dem Boden aufgeklebt.In one embodiment, the tracks terminate in multiple pads on the ground. The transducer element is preferably glued to the floor at a section provided for this purpose by means of a non-conductive adhesive.
In einer Ausführungsform kontaktieren die Elektroden des Wandlerelements die elektrisch leitenden Spuren kontaktieren. Bevorzugt reichen die Spuren in dieser Ausführungsform bis auf den Boden und das Wandlerelement liegt auf den Spuren auf.In one embodiment, the electrodes of the transducer element contact the electrically conductive traces. Preferably, in this embodiment, the tracks extend to the floor and the transducer element rests on the tracks.
Insbesondere kann das Wandlerelement so auf dem Boden aufgeklebt werden, dass das Wandlerelement und insbesondere dessen Elektroden direkt auf den Spuren aufliegen und bevorzugt mit diesen elektrisch kontaktiert sind.In particular, the transducer element can be glued to the floor in such a way that the transducer element and in particular its electrodes lie directly on the tracks and are preferably electrically contacted with them.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kontakt zwischen den Elektroden des Wandlerelements und den Spuren über einen leitfähigen Kleber hergestellt. Alternativ kann der Kontakt auch bei Verwendung eines nicht leitfähigen Klebers hergestellt werden, wenn die Oberflächenrauigkeit der Spuren oder der Elektroden des Wandlerelements ausreichend groß ist, dass sich durch die Klebeschicht hindurch ein elektrischer Kontakt, insbesondere auch ein Kontakt durch direkte Berührung, zwischen den Spuren und den Elektroden des Wandlerelements einstellt.In a preferred embodiment, contact between the electrodes of the transducer element and the traces is made via a conductive adhesive. Alternatively, the contact can also be made using a non-conductive adhesive if the surface roughness of the tracks or the electrodes of the transducer element is sufficiently large that electrical contact can be made through the adhesive layer, in particular contact by direct contact, between the tracks and adjusts the electrodes of the transducer element.
Die Spuren können in einer Ausführungsform auch bereits neben dem Wandlerelement enden und das Wandlerelement nicht auf den Spuren auffliegen. In dieser Ausführungsform ist der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden des Wandlerelements und den Spuren bevorzugt über den leitfähigen Kleber hergestellt.In one embodiment, the tracks can also end next to the transducer element and the transducer element cannot fly onto the tracks. In this embodiment, electrical contact between the electrodes of the transducer element and the traces is preferably made via the conductive adhesive.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine elektrisch leitende Beschichtung zur elektro-magnetischen Abschirmung auf der Außenseite des Gehäuses, also insbesondere auf der Außenseite der Gehäusewand und des Bodens, aufgebracht ist.According to one embodiment, an electrically conductive coating for electromagnetic shielding is applied to the outside of the housing, ie in particular to the outside of the housing wall and the base.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gehäuse ein Material, das nicht elektrisch isolierend ist oder das Kunststoffmaterial ist elektrisch leitfähig. In dieser Ausführungsform ist auf einer Innenseite der Gehäusewand bzw. des Bodens, auf den die elektrisch leitfähigen Spuren aufgetragen sind eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der Gehäusewand und den Spuren angeordnet. Beispielsweise kann eine isolierende Schicht aus Parylene C vorgesehen sein.In a further embodiment, the housing comprises a material that is not electrically insulating or the plastic material is electrically conductive. In this embodiment, an electrically insulating layer is arranged between the housing wall and the tracks on an inner side of the housing wall or the base on which the electrically conductive tracks are applied. For example, an insulating layer of Parylene C can be provided.
Eine Gehäusewand aus einem elektrisch leitfähigen Material hat den Vorteil, dass die Gehäusewand die im Gehäuse angeordnete Elektronik gegen störende elektromagnetische Einflüsse von außen abschirmt (EMC-/EMI-Schutz).A housing wall made of an electrically conductive material has the advantage that the housing wall shields the electronics arranged in the housing against interfering electromagnetic influences from the outside (EMC/EMI protection).
In einer weiteren Ausführungsform, insbesondere wenn das Gehäuse nicht elektrisch leitfähig ist, ist eine elektrisch leitende Beschichtung auf die Außenseite des Gehäuses aufgetragen, die die Außenseite des Gehäuses bevorzugt vollständig bedeckt.In a further embodiment, in particular if the housing is not electrically conductive, an electrically conductive coating is applied to the outside of the housing, which preferably completely covers the outside of the housing.
Eine solche Beschichtung schirmt die im Gehäuse angeordnete Elektronik und elektrisch leitenden Spuren gegen störende elektromagnetische Einflüsse und insbesondere vor elektrischer Induktion von außen ab (EMC-/EMI-Schutz).Such a coating shields the electronics and electrically conductive traces arranged in the housing from disruptive electromagnetic influences and in particular from external electrical induction (EMC/EMI protection).
Insbesondere kann die elektrisch leitende Beschichtung ein metallisches Material wie beispielsweise Kupfer enthalten. Die Beschichtung kann gleichmäßig und dünn aufgetragen sein. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Sputtern, aber auch beispielsweise in Form eines Lackes, der elektrisch leitfähige Partikel umfasst, aufgetragen sein.In particular, the electrically conductive coating can contain a metallic material such as copper. The coating can be applied evenly and thinly. The coating can be applied, for example, by sputtering, but also, for example, in the form of a paint that includes electrically conductive particles.
Zur Masse-Kontaktierung der Beschichtung kann in einer Ausführungsform ein elektrisch leitendes Via, also eine Durchgangskontaktierung, zwischen der Beschichtung auf der Außenseite des Gehäuses und einer der Spuren auf der Innenseite des Gehäuses vorgesehen ist.In one embodiment, for ground contacting of the coating, an electrically conductive via, that is to say through-contacting, can be provided between the coating on the outside of the housing and one of the tracks on the inside of the housing.
Insbesondere kann das Via in einer Ausführungsform in einem Durchgangsloch in der Gehäusewand ausgeprägt sein.In particular, in one embodiment, the via can be formed in a through-hole in the housing wall.
Bei dem Durchgangsloch kann es sich um eine eigens dafür angefertigte Bohrung in der Gehäusewand handeln. Die elektrisch leitende Beschichtung kann dann auch auf einer Oberfläche in der Bohrung angeordnet sein und sich bis zur elektrisch leitenden Spur an der Innenseite der Gehäusewand erstrecken. Insbesondere können die Spur und die Beschichtung dasselbe Material aufweisen und einen durchgängig verbundenen beschichteten Bereich bilden.The through hole can be a specially made hole in the housing wall. The electrically conductive coating can then also be arranged on a surface in the bore and can extend to the electrically conductive track on the inside of the housing wall. In particular, the track and the coating can have the same material and form a continuously connected coated area.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Via, statt in einem Durchgangsloch in einer Rinne in einer äußeren Kante der Gehäusewand, die die Gehäuseöffnung umgibt, ausgeprägt sein. Bei der Rinne kann es sich analog zum Durchgangsloch um eine Bohrung, allerdings nicht mittig in der Gehäusewand, sondern an einer äußeren Kante der Gehäusewand, handeln.In a further embodiment, the via can be stamped out in a groove in an outer edge of the housing wall surrounding the housing opening instead of in a through hole. Analogous to the through-hole, the groove can be a bore, but not in the center of the housing wall, but rather on an outer edge of the housing wall.
Durch die Rinne wird sichergestellt, dass die elektrisch leitende Beschichtung bzw. die Spur oder deren elektrische Verbindung an einer äußeren Kante der Gehäusewand frei liegt, sodass beispielsweise ein nicht beabsichtigter Kurzschluss mit einem elektrischen Kontakt in der Umgebung des Gehäuses vermieden wird.The channel ensures that the electrically conductive coating or the track or its electrical connection is exposed on an outer edge of the housing wall, so that, for example, an unintentional short circuit with an electrical contact in the area surrounding the housing is avoided.
In einer weiteren Ausführungsform sind die elektrisch leitende Beschichtung und eine der Spuren über die Leiterplatte elektrisch kontaktiert. In dieser Ausführungsform sind die leitende Beschichtung und die Spur nur elektrisch kontaktiert, wenn der Deckel geschlossen ist, also die Leiterplatte auf das Gehäuse aufgesetzt ist. Zur Kontaktierung zwischen der Elektronik auf der Leiterplatte und der äußeren Beschichtung kann insbesondere wieder eine beschichtete Rinne oder ein beschichtetes Durchgangsloch vorgesehen sein.In a further embodiment, the electrically conductive coating and one of the tracks are electrically contacted via the printed circuit board. In this embodiment, the conductive coating and the track are electrically contacted only when the cover is closed, ie the printed circuit board is placed on the housing. A coated groove or a coated through-hole can in particular be provided again for contacting between the electronics on the printed circuit board and the outer coating.
In einer Ausführungsform ist ein zylinderförmiges oder konisches vorgeformtes Absorptionselement in einem Abstand zum Boden in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Das vorgeformte Absorptionselement kann beim Zusammenhang des Ultraschallwandlers einfach in das Gehäuse eingesetzt werden.In one embodiment, a cylindrical or conical preformed absorption element is arranged at a distance from the bottom in the interior of the housing. The preformed absorption element can be easily inserted into the housing when the ultrasonic transducer is connected.
Das Absorptionselement absorbiert Schall- und Ultraschallwellen und verhindert bevorzugt insbesondere eine Schall- oder Ultraschallausbreitung im Innenraum des Gehäuses, dämpft bevorzugt jedoch nicht die mechanischen Schwingungen bzw. Vibrationen in der Gehäusewand. Somit ermöglicht das Absorptionselement auch das Messen von Abständen in kurzer Distanzen mithilfe des Ultraschallwandlers.The absorption element absorbs sound and ultrasonic waves and preferably prevents, in particular, sound or ultrasonic propagation in the interior of the housing, but preferably does not dampen the mechanical oscillations or vibrations in the housing wall. The absorption element thus also enables the measurement of distances at short distances using the ultrasonic transducer.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem vorgeformten Absorptionselement und dem Boden ein Hohlraum vorgesehen. Der Hohlraumist insbesondere ein Spalt, der lediglich Luft umfasst. Der Hohlraumverhindert eine Dämpfung von Schwingungen des Bodens durch unerwünschten direkten Kontakt des Absorptionselements mit dem Boden. Der Hohlraumsoll vielmehr so breit sein, dass auch bei einer maximalen Schwingung des Bodens im Betrieb des Ultraschallwandlers der Boden nicht in Kontakt mit dem Absorptionselement kommt. Zusätzlich oder alternativ ist der Abstand zwischen dem Boden und dem Absorptionselement bevorzugt so abgemessen, dass sich eine destruktive Interferenz der akustischen Wellen zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Bodens und des Absorptionselements einstellt.According to one embodiment, a cavity is provided between the preformed absorption element and the floor. In particular, the cavity is a gap comprising only air. The cavity prevents vibrations of the floor from being dampened by undesired direct contact of the absorption element with the floor. Rather, the cavity should be so wide that the floor does not come into contact with the absorption element even if the floor vibrates at its maximum during operation of the ultrasonic transducer. Additionally or alternatively, the distance between the floor and the absorption element is preferably measured in such a way that destructive interference of the acoustic waves occurs between the two opposite surfaces of the floor and the absorption element.
Eine direkte mechanische Dämpfung des Bodens ist aufgrund des wie beschrieben vorteilhaft gewählten Kunststoffmaterials und der beschriebenen Form des Gehäuses hingegen nicht notwendig.A direct mechanical damping of the floor is, however, not necessary due to the advantageously selected plastic material as described and the described shape of the housing.
Insbesondere ist das Absorptionselement in einer Ausführungsform ein aufgeschäumtes Kunststoffelement. Das Kunststoffelement umfasst beispielsweise ein Urethan-Derivat wie Polyurethan oder ein Silikon. Ein solcher aufgeschäumter Kunststoff weist bei geeigneter Wahl die erforderlichen Materialeigenschaften auf, um die Schwingungen, insbesondere Schallschwingungen, möglichst vollständig zu dämpfen.In particular, in one embodiment, the absorption element is a foamed plastic element. The plastic element comprises, for example, a urethane derivative such as polyurethane or a silicone. With a suitable choice, such a foamed plastic has the necessary material properties in order to dampen the vibrations, in particular sound vibrations, as completely as possible.
Ein solches Absorptionselement ist weiterhin einfach vorzufertigen und kann einfach und ohne Nachbearbeitung in die gewünschte erforderliche Form gebracht werden.Such an absorption element is also easy to prefabricate and can be brought into the desired required shape easily and without post-processing.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine radiale Abmessung des Absorptionselements größer ist als eine radiale Ausdehnung des Innenraums des Gehäuses im Bereich des Bodens. Dies verhindert insbesondere ein Durchrutschen des Absorptionselements bis zum Gehäuseboden.According to one embodiment, a radial dimension of the absorption element is greater than a radial extension of the interior of the housing in the area of the bottom. In particular, this prevents the absorption element from slipping through to the bottom of the housing.
Insbesondere können das Absorptionselement und/oder der untere Abschnitt des Innenraums des Gehäuses konisch geformt sein, sodass eine radiale Abmessung des Absorptionselements nur im Bereich des Bodens größer ist als der des Innenraums.In particular, the absorption element and/or the lower section of the interior of the housing can be conical in shape, so that a radial dimension of the absorption element is greater than that of the interior only in the region of the bottom.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses eines Ultraschallwandlers aus einem Kunststoff offenbart. Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung des zuvor beschriebenen Gehäuses und Ultraschallwandlers angewandt werden.Furthermore, a method for producing a housing of an ultrasonic transducer from a plastic is disclosed. The method can be used in particular for the production of the previously described Housing and ultrasonic transducer are applied.
Das Verfahren umfasst in einem Schritt das Fertigen des Gehäuses per Spritzguss. Das Gehäuse kann alle zuvor beschriebenen Merkmale und Komponenten aufweisen.In one step, the method includes the production of the housing by injection molding. The housing may include all of the features and components previously described.
Das Gehäuse umfasst insbesondere einen Boden und eine Gehäusewand, wobei die Gehäusewand einen ersten Abschnitt, der an den Boden anschließt, und einen zweiten Abschnitt umfasst. Der erste und der zweite Abschnitt weisen verschiedene Abmessungen auf, wobei ein Übergangsabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt vorgesehen ist. Eine Flächennormale, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im Übergangsabschnitt steht, ist schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht auf dem Boden steht, und schräg zu einer Flächennormalen, die senkrecht zur Außenseite der Gehäusewand im ersten und zur Außenseite der Gehäusewand im zweiten Abschnitt steht.In particular, the housing comprises a base and a housing wall, the housing wall comprising a first section, which adjoins the base, and a second section. The first and second sections have different dimensions, with a transition section being provided between the first and second sections. A surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the transition section is oblique to a surface normal that is perpendicular to the floor and oblique to a surface normal that is perpendicular to the outside of the housing wall in the first section and to the outside of the housing wall in the second section.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die leitenden Spuren mittels Laserdirektstrukturierung in einem Innenraum des Gehäuses gebildet, wobei die leitenden Spuren dazu ausgestaltet sind, ein Wandlerelement am Boden mit einer Leiterplatte, die einen Deckel des Gehäuses bildet, elektrisch zu verbinden.According to one embodiment of the method, the conductive traces are formed in an interior space of the housing by means of direct laser structuring, the conductive traces being designed to electrically connect a transducer element on the bottom to a circuit board forming a cover of the housing.
Neben dem LDS-Prozess sind auch andere Methoden zur Erzeugung der leitenden Spuren möglich wie z.B. Sputtern, Metalldruck, insbesondere mittels metallischer Einsätze, bzw. ein anderes Verfahren unter Verwendung metallischer Einsätze oder ein laserinduzierter Graphen-Prozess (LIG-Prozess).In addition to the LDS process, other methods for generating the conductive traces are also possible, such as sputtering, metal printing, in particular using metal inserts, or another method using metal inserts or a laser-induced graphene process (LIG process).
Beim LDS-Prozess wird eine elektrisch leitende Spur durch einen Laserstrahl definiert, der ein Layout der Spur direkt auf das Kunststoffmaterial des Gehäuses schreibt. Dem Kunststoffmaterial ist hierfür ein spezielles LDS-Additiv zugesetzt. Bereiche, auf denen Spuren vorgesehen sind werden dann mit dem Laserstrahl belichtet und dabei das zugesetzte LDS-Additiv aktiviert. In einer nachfolgenden Metallisierung in einem Kupferbad bilden sich auf den aktivierten Bereichen Kupferschichten haftfest und konturenscharf aus. Nacheinander lassen sich so verschiedene Schichten, zum Beispiel aus Nickel, Gold, Silber oder Lötzinn aufbauen, die dann die Spuren bilden.In the LDS process, an electrically conductive track is defined by a laser beam that writes a layout of the track directly onto the plastic material of the package. A special LDS additive is added to the plastic material for this purpose. Areas on which tracks are provided are then exposed to the laser beam and the added LDS additive activated. In a subsequent metallization in a copper bath, copper layers are formed on the activated areas in an adherent manner and with sharp contours. Different layers can be built up one after the other, for example made of nickel, gold, silver or solder, which then form the tracks.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von Figuren beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.Exemplary embodiments are described below with reference to figures. The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown.
Die Figuren zeigen:
-
1 : Perspektivische Ansicht von schräg oben eines ersten Ausführungsbeispiels eines Gehäuses eines Ultraschallwandlers. -
2 : Perspektivische Ansicht von schräg unten des ersten Ausführungsbeispiels des Gehäuses des Ultraschallwandlers mit eingezeichneten Flächennormalen. -
3 : Seitenansicht im Querschnitt des Gehäuses des ersten Ausführungsbeispiels des Ultraschallwandlers. -
4 : Seitenansicht im Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels des Ultraschallwandlers. -
5 : Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Ultraschallwandlers von schräg oben. Gezeigt sind das Gehäuse und zwei leitende Spuren. -
6 : Simulation der Vibration des Gehäuses. -
7 : Perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Gehäuses mit metallischer Schicht zur Abschirmung und Bohrung. -
8 : Querschnitt durch das Gehäuse mit metallischer Schicht zur Abschirmung und Bohrung. -
9 : Querschnitt durch ein weiteres Gehäuse mit metallischer Schicht zur Abschirmung und Rinne.
-
1 : Perspective view obliquely from above of a first embodiment of a housing of an ultrasonic transducer. -
2 1: Perspective view obliquely from below of the first exemplary embodiment of the housing of the ultrasonic transducer with surface normals drawn in. -
3 : Side view in cross section of the housing of the first embodiment of the ultrasonic transducer. -
4 : Side view in cross section of the first embodiment of the ultrasonic transducer. -
5 : View of the first exemplary embodiment of the ultrasonic transducer obliquely from above. Shown are the case and two conductive traces. -
6 : Simulation of the vibration of the case. -
7 : Perspective view of another embodiment of the housing with metallic layer for shielding and drilling. -
8th : Cross section through the housing with metallic layer for shielding and drilling. -
9 : Cross section through another housing with metallic layer for shielding and trough.
Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.Similar or apparently the same elements in the figures are provided with the same reference numbers. The figures and the proportions in the figures are not true to scale.
Die
Der Ultraschallwandler 1 umfasst ein Gehäuse, das an seiner Unterseite durch einen Boden 2 abgeschlossen ist. Der Boden 2 weist im Ausführungsbeispiel eine kreisrunde Form auf. Das Gehäuse umfasst weiterhin eine Gehäusewand und eine dem Boden gegenüberliegende Gehäuseöffnung. An den Boden 2 schließt sich nach oben ein erster Abschnitt 3 einer Gehäusewand an.The
Als „oben“ wird hierbei die Richtung vom Boden weg und zu der Gehäuseöffnung hin definiert.The direction away from the floor and towards the housing opening is defined as "top".
Die Außenseite des ersten Abschnitts 3 kann eine Zylinder- oder Konus-Form aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenseite des ersten Abschnitts konisch geformt. Der Neigungswinkel der Konus-Form in Relation zu Mantelfläche eines ebenen Zylinders beträgt 0,5° bis 5°, bevorzugt 2°. Der Winkel kann aber auch geringer oder größer gewählt sein. Der Durchmesser der Konus-Form ist angrenzend zum Boden 2 am geringsten und nimmt dann nach oben zu.The outside of the
Ein unterer Abschnitt 31 schließt im Innenraum des Gehäuses einen ebenfalls Konus-förmigen Hohlraum ein. Die Schräge der Innenseite der Gehäusewand im unteren Abschnitt 3I kann sich von der Schräge der Außenseite im ersten Abschnitt 3 unterscheiden. Bevorzugt beträgt die Schräge 0,5° bis 45°, bevorzugter 0,5° bis 5°, bevorzugter 2° gegenüber einer Flächennormale der Innenseite des Bodens 2.A
Die Gehäusewand umfasst weiterhin einen zweiten Abschnitt 4, der über dem ersten Abschnitt 3 und vom Boden 2 entfernt angeordnet ist. Der zweite Abschnitt 4 kann verschiedene Umrissformen aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Außenumriss des zweiten Abschnitts 4 rechteckig und bevorzugt quadratisch. Hiermit ist insbesondere auch eine rechteckige oder quadratische Form mit abgerundeten Ecken gemeint wie sie auch in den Figuren dargestellt ist. Die Abmessungen des zweiten Abschnitts 4 parallel zum Boden 2 sind größer als die Abmessungen des ersten Abschnitts 3.The housing wall further comprises a
Zwischen dem ersten Abschnitt 3 und dem zweiten Abschnitt 4 ist ein Übergangsabschnitt 5 der Gehäusewand vorgesehen. Der Übergangsabschnitt schließt sich bevorzugt direkt an den ersten Abschnitt an und der zweite Abschnitt schließt sich bevorzugt unmittelbar an den Übergangsabschnitt an. Das heißt, dass die Gehäusewand bevorzugt keine weiteren Abschnitte neben den drei genannten Abschnitten aufweist.A
Die Außenseite im Übergangsabschnitt 5 kann gebogen oder flach ausgeführt sein. Die Außenseite des Übergangsabschnitts ist insbesondere nicht parallel oder senkrecht zum Boden und nicht parallel oder senkrecht zu einer der Außenseiten des ersten oder zweiten Abschnitts ausgebildet, sondern vielmehr schräg zum Boden und zu den genannten Außenseiten ausgebildet, wie beispielsweise in
Mit „schräg“ ist wiederum gemeint, dass eine Flächennormale FN5, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts 5 steht, nicht parallel und nicht senkrecht zu einer Flächennormale FN2 ist, die senkrecht auf dem Boden 2 steht. Ebenso ist eine Flächennormale FN 5, die senkrecht auf der Außenseite des Übergangsabschnitts 5 steht, nicht parallel und nicht senkrecht zu einer Flächennormale FN3, die senkrecht auf der Außenseite des ersten Abschnitts 3 steht, und nicht senkrecht zu einer Flächennormalen FN 4, die senkrecht auf der Außenseite des zweiten Abschnitts 4 steht.“Oblique” in turn means that a surface normal FN5 that is perpendicular to the outside of the
Die Außenseite des Übergangsabschnitts bildet vielmehr einen Übergang zwischen der Außenseite des ersten Abschnitts 3 und der Außenseite des zweiten Abschnitts 4. Eine Flächennormalen FN5, die senkrecht auf der Außenseite der Gehäusewand im Übergangsbereich 5 steht, weist bevorzugt einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad gegenüber einer Flächennormalen FN2 des Bodens 2 des Gehäuses auf. Ebenso weist eine Flächennormale FN5, die senkrecht auf der Außenseite der Gehäusewand im Übergangsbereich 5 steht, bevorzugt einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad gegenüber einer Flächennormalen FN3, die senkrecht zur Außenseite des ersten Abschnitts 3 steht, und gegenüber einer Flächennormalen FN4, die senkrecht zur Außenseite des zweiten Abschnitts 4 steht, auf.Rather, the outside of the transition section forms a transition between the outside of the
In der abgebildeten Ausführungsform weist die Außenseite der Gehäusewand einen Übergangsabschnitt 5 mit folgender Ausgestaltung auf. Der Übergangsabschnitt 5 erstreckt sich von der Außenseite des ersten Abschnitts 3 bis zu der Außenseite des zweiten Abschnitts 4. Hierbei ist der Übergangsabschnitt 5 zu den Ecken des rechteckig geformten Umrisses des zweiten Abschnitts 4 hin merklich gewölbt. Die Wölbung nimmt zwischen den Ecken ab. In einer Scheitellinie zwischen den Ecken ist der Übergangsabschnitt 5 gar nicht gewölbt, sondern verläuft eben von einer Außenkante des ersten Abschnitts 3 bis zu einer Außenkante des zweiten Abschnitts 4. Die Unterschiede in der Wölbung des Übergangsabschnitts 5 werden durch eine unterschiedliche Höhe des zweiten Abschnitts 4 bedingt. Die Außenkanten des zweiten Abschnitts 4 sind zwischen dessen Ecken in Richtung des ersten Abschnitts bzw. des Bodens 2 gebogen.In the illustrated embodiment, the outside of the housing wall has a
Die unterschiedliche Höhe des zweiten Abschnitts 4 führt zu einer unregelmäßigen Form des Übergangsabschnitts 5, wodurch eine Vibration im Gehäuse zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 3 und 4 nur in geringem Maße übertragen wird, die Vibration also im Übergangsabschnitt 5 gedämpft wird.The different height of the
Der Innenraum des Gehäuses weist in einem oberen Abschnitt 4I angrenzend zur Gehäuseöffnung ebenfalls einen rechteckigen Umriss auf. Innerhalb des Gehäuses ist weiterhin eine Stufe 4A vorgesehen. Im Innenraum des Gehäuses schließt an den oberen Abschnitt 4Imit einem rechteckigen Innenumriss direkt der untere Abschnitt 3I mit einem kreisförmigen Innenumriss an.The interior of the case also has a rectangular outline in an upper portion 4I adjacent to the case opening. A
Insbesondere ist der obere Abschnitt 4Iin dem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt, in dem an einer Außenseite der Gehäusewand der zweite Abschnitt 4 ausgeprägt ist. Insbesondere ist weiterhin der untere Abschnitt 3I in dem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt, in dem an einer Außenseite der Gehäusewand der erste Abschnitt 3 ausgeprägt ist. Der obere Abschnitt 4Iund der untere Abschnitt 3I des Innenraums sind darüber hinaus jedoch auch in einem Abschnitt des Gehäuses ausgeprägt, in dem an der Außenseite der Gehäusewand der Übergangsabschnitt 5 ausgeprägt ist.In particular, the upper section 4I is formed in the section of the housing in which the
Der Boden 2 des Gehäuses ist als eine Membran ausgeprägt, die bei Anregung durch ein Wandlerelement 6 oder durch äußere Schwingungen in einer Ultraschallfrequenz vibriert. Der Boden 2 ist dazu sehr dünn, insbesondere dünner als die Gehäusewand, ausgestaltet.The
Das gesamte Gehäuse umfassend Boden 2 und Gehäusewand ist einstückig und aus demselben Material gefertigt. Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein Spritzgussteil aus einem Kunststoff.The entire
Der Kunststoff weist schwingungs- bzw. schalldämpfende Eigenschaften auf. Dafür wird ein Kunststoff mit einem hohen E-Modul von mehr als 1 GPa, bevorzugt mehr als 10 GPa, gewählt. Das Verhältnis von Dichte ρ zu E-Modul E des Kunststoffs und insbesondere der Faktor (ρ)3/E sollen möglichst klein sein. Bevorzugt ist der Faktor (ρ)3/E geringer als 0,35, bevorzugter geringer als 0,1, noch bevorzugter geringer als 0,01. Weiterhin weist der Kunststoff einen Gütefaktor Q als Maß für die Dämpfung zwischen 10 und 100, bevorzugt zwischen 10 und 65 auf.The plastic has vibration and sound-damping properties. A plastic with a high modulus of elasticity of more than 1 GPa, preferably more than 10 GPa, is selected for this. The ratio of density ρ to modulus of elasticity E of the plastic and in particular the factor (ρ) 3 /E should be as small as possible. Preferably the factor (ρ) 3 /E is less than 0.35, more preferably less than 0.1, even more preferably less than 0.01. Furthermore, the plastic has a quality factor Q as a measure of the damping between 10 and 100, preferably between 10 and 65.
Ein weiteres bevorzugtes Auswahlkriterium für den Kunststoff ist, dass seine mechanischen Eigenschaften in einem Anwendungs-Temperaturbereich von -40 °C und +85 °C konstant bleiben. Noch bevorzugter bleiben die mechanischen Eigenschaften in einem Anwendungs-Temperaturbereich von -55 °C und +150 °C konstant.Another preferred selection criterion for the plastic is that its mechanical properties remain constant in an application temperature range of -40 °C and +85 °C. Even more preferably, the mechanical properties remain constant in an application temperature range of -55°C and +150°C.
Bei dem Wandlerelement 6 handelt es sich bevorzugt um ein piezoelektrisches Element. Das piezoelektrische Element umfasst bevorzugt ein piezoelektrisches keramisches Material. Das piezoelektrische Element kann scheibenförmig ausgeprägt sein. Auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen piezoelektrischen Elements sind bevorzugt zwei Elektroden, jeweils eine Elektrode auf einer der Oberflächen, angeordnet. Über die Elektroden ist das piezoelektrische Element elektrisch ansteuerbar und kann insbesondere mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, bzw. kann ein elektrisches Signal, insbesondere eine elektrische Spannung, vom piezoelektrischen Element abgegriffen werden.The
Im Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element scheibenförmig ausgeprägt und auf der Innenseite des Bodens 2 aufgeklebt. Das piezoelektrische Element kann auch auf andere Weise stoffschlüssig auf dem Boden 2 aufgebracht sein.In the exemplary embodiment, the piezoelectric element is disc-shaped and is glued to the inside of the
Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler 1 ein vorgeformtes Absorptionselemente 7, das im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Das vorgeformte Absorptionselement besteht aus einem aufgeschäumten Kunststoff.Furthermore, the
Das Absorptionselement 7 weist eine zylindrische oder konische Form auf. Insbesondere weist das Absorptionselement in einer radialen Richtung eine größere Abmessung als der untere Abschnitt 3I des Innenraums nahe am Boden 2 auf, sodass das Absorptionselement im unteren Abschnitt 3I des Innenraums des Gehäuses eingeklemmt ist und nicht bis zum Boden 2 durchrutscht. Somit ist ein Hohlraum 7A zwischen dem Boden 2 und dem Absorptionselements 7 ausgebildet. Der Hohlraum 7A verhindert eine Rückkopplung zwischen dem Boden 2 und dem Absorptionselement 7. Insbesondere dämpft das Absorptionselement 7 nicht die Schwingungen oder Vibrationen des Bodens 2, da der Boden 2 mit dem Absorptionselement 7 nicht in Kontakt steht. Das Absorptionselement 7 dient vielmehr der Dämpfung von Ultraschallwellen im Innenraum des Gehäuses, insbesondere damit es zu keiner Störung einer nachgeschalteten Auswerteelektronik durch die Ultraschallwellen kommt.The
Die Auswerteelektronik ist auf einer Leiterplatte 8 aufgebracht, die gleichzeitig den Deckel des Gehäuses bildet. Die Leiterplatte 8 ist hierzu auf der Stufe 4A im zweiten Abschnitt aufgelegt, sodass sie die Gehäuseöffnung im zweiten Abschnitt abdeckt. Um Vibrationen aus dem Gehäuse zu dämpfen und möglichst nicht auf die Leiterplatte zu übertragen, ist die Leiterplatte 8 nur an ausgewählten Kontaktflächen auf korrespondierenden Kontaktflächen des Gehäuses bzw. der Stufe 4A aufgeklebt. Die korrespondierenden Kontaktflächen des Gehäuses sind insbesondere Stellen im Gehäuse, an denen eine Vibration aufgrund der beschriebenen Gehäusestruktur maximal gedämpft ist. Solche Stellen sind insbesondere die Ecken 4B oder die Mittelpunkte zwischen den Ecken 4B des rechteckigen Umrisses des zweiten Gehäuseabschnitts 4.The evaluation electronics are mounted on a printed
In
Eine starke Vibration tritt insbesondere am Boden 2 auf. Anhand der abgebildeten Simulation ist gut erkennbar, dass an den Ecken 4B des rechteckig ausgeführten zweiten Abschnitts 4 der Gehäusewand kaum Vibrationen auftreten, während in Abschnitten 4C zwischen den Ecken 4B stärkere Vibrationen auftreten. In anders geformten Gehäusen können aber auch in den Abschnitten 4C zwischen den Ecken 4B geringere Vibrationen auftreten.A strong vibration occurs in particular on the
An diesen Stellen sind insbesondere Schwingungen des Bodens 2, die sich von dort über das Gehäuse ausbreiten, stark gedämpft.Vibrations of the
Der Hohlraum zwischen dem vorgeformten Absorptionselement 7 und der Leiterplatte 8 bzw. verbleibender Hohlraum oberhalb der Leiterplatte 8 im Gehäuse ist im Ausführungsbeispiel durch einen Füllstoff 12, bevorzugt durch einen elastischen Kunststoff oder ein Kunstharz ausgefüllt. Der Füllstoff 12 härtet bevorzugt erst nach dem Einführen in den Hohlraum, sodass der Hohlraum möglichst vollständig ausgefüllt wird.The cavity between the
In einem Ausführungsbeispiel schließt die Leiterplatte 8 als Deckel nicht bündig mit der umgebenden Gehäusewand ab, sondern ist abgesenkt im oberen Abschnitt 4I des Innenraums des Gehäuses angeordnet. Der verbliebene, nicht genutzte Raum im Gehäuse, außerhalb des von Boden 2 und Leiterplatte 8 umschlossenen Innenraumes, ist bevorzugt ebenso mit dem Füllstoff 12 ausgefüllt. Bevorzugt bedeckt der Füllstoff 12 dann nahezu die gesamte Leiterplatte, bis auf einen Abschnitt der Leiterplatte, an dem eine elektrische Kontaktierung 13 nach außen vorgesehen ist. Die Leiterplatte 8 ist so zusätzlich im Gehäuse festgelegt und vor äußeren Einflüssen geschützt.In one exemplary embodiment, the
Sowohl im ersten wie auch im zweiten Abschnitt weist die Außenseite der Gehäusewand, wie auch in
Insbesondere ist das wie beschrieben geformte Gehäuse gegenüber einer gleichförmigen von zwei Seiten auf Außenseite beaufschlagte Kraft beispielsweise eines Greifarms bei der Montage oder einer Klemme zur Befestigung des Gehäuses stabil.In particular, the housing shaped as described is stable against a uniform force applied from two sides on the outside, for example of a gripping arm during assembly or a clamp for fastening the housing.
Zur Kontaktierung zwischen dem Wandlerelement 6 und der Leiterplatte 8 sind wie in
Bei den Spuren 9 kann es sich sowohl um eine Metallbeschichtung, die auf der Innenseite der Gehäusewand aufgebracht ist wie auch um elektrisch leitende Spuren 9 im Inneren der Gehäusewand selbst, also nicht auf der Oberfläche, also der Innenseite oder Außenseite, der Gehäusewand, handeln.The
Die Gehäusewand ist mit Ausnahme der etwaigen in der Gehäusewand ausgeprägten Spuren 9 im Ausführungsbeispiel nicht elektrisch leitend, kann in anderen Ausführungsbeispielen aber auch elektrisch leitend sein. Im letzteren Fall ist eine elektrisch isolierende Schicht auf der Innenseite der Gehäusewand oder zumindest zwischen den elektrisch leitenden Spuren 9 und der Gehäusewand aufgebracht. Die isolierende Schicht kann beispielsweise einen Kunststoff, wie insbesondere Parylene C, umfassen.With the exception of any
Die elektrisch leitenden Spuren 9 enden in mehreren Kontaktflächen auf dem Boden 2. Das Wandlerelement 6 ist im Ausführungsbeispiel auf dem Boden 2 aufgeklebt. Bevorzugt ist das Wandlerelement 6 an einem hierfür vorgesehenen Abschnitt über einen nicht leitenden Kleber auf dem Boden 2 aufgeklebt, während die Elektroden des Wandlerelements 6 an dessen Seiten die elektrisch leitenden Spuren 9 kontaktieren. Bevorzugt reichen die Spuren 9 in diesem Ausführungsbeispiel bis auf den Boden 2, sodass das Wandlerelement 6 so auf dem Boden aufgeklebt werden kann, dass die Elektroden des Wandlerelements 6 direkt auf den Spuren 9 aufliegen.The electrically
In einer anderen Ausführungsform ist der Kontakt zwischen dem Wandlerelement 6, insbesondere dessen Elektroden, und den elektrisch leitenden Spuren 9 über einen leitfähigen Kleber hergestellt. Alternativ kann der Kontakt auch bei Verwendung eines nicht leitfähigen Klebers hergestellt werden, wenn die Oberflächenrauigkeit der Spuren 9 so groß ist, dass sich durch die Klebeschicht hindurch ein direkter Kontakt zwischen den Spuren 9 und den Elektroden des Wandlerelements 6 einstellt.In another embodiment, the contact between the
Die Spuren 9 können auch bereits neben dem Wandlerelement 6 enden, sodass das Wandlerelement 6 nicht auf den Spuren 9 auffliegt. In dieser Ausführungsform ist der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden des Wandlerelements 6 und den Spuren 9 über den leitfähigen Kleber hergestellt.The
Das Aufbringen der elektrisch leitenden Spuren 9 kann insbesondere über das Aufsputtern oder das Aufdrucken einer metallischen Schicht oder über eine Laserdirektstrukturierung (LDS) erfolgen. Die Spuren enthalten ein metallisches, elektrisch leitfähiges Material wie beispielsweise Kupfer. Damit die Spuren 9 mittels des LDS-Verfahrens strukturiert werden können, enthält das Gehäuse bevorzugt keine Karbonfasern.The electrically
Beim LDS-Prozess wird die elektrisch leitende Spur 9 durch einen Laserstrahl definiert, der ein Layout der Spur 9 direkt auf den spritzgegossenen Kunststoff des Gehäuses schreibt.In the LDS process, the electrically
Dem Kunststoff ist hierfür ein spezielles LDS-Additiv zugesetzt. Bereiche, auf denen Spuren 9 vorgesehen sind werden dann mit dem Laserstrahl belichtet und dabei das zugesetzte LDS-Additiv aktiviert. In einer nachfolgenden Metallisierung in einem Kupferbad bilden sich auf den aktivierten Bereichen Kupferschichten haftfest und konturenscharf aus. Nacheinander lassen sich so verschiedene Schichten, zum Beispiel aus Nickel, Gold, Silber oder Lötzinn aufbauen, die dann die Spuren 9 bilden.A special LDS additive is added to the plastic for this purpose. Areas on which tracks 9 are provided are then exposed to the laser beam, thereby activating the added LDS additive. In a subsequent metallization in a copper bath, copper layers are formed on the activated areas in an adherent manner and with sharp contours. In this way, different layers, for example made of nickel, gold, silver or solder, can be built up one after the other, which then form the
In den weiteren
Ist das Gehäuse nicht elektrisch leitend, muss zur elektromagnetischen Abschirmung eine elektrisch leitende Schicht 10, auf den Außenseiten des Gehäuses, also insbesondere der Gehäusewand und des Bodens 2, aufgebracht sein. Die Schicht 10 kann beispielsweise durch Lackierung, physikalische oder chemische Dampfabscheidung (CVD) oder Sputtern aufgebracht werden. Die Schicht kann beispielsweise ein Metall oder einen leitfähigen Kunststoff, also in der Regel einen Kunststoff mit einem leitfähigen Additiv, umfassen. Die Schicht 10 bedeckt bevorzugt die gesamte Außenseite des Gehäuses.If the housing is not electrically conductive, an electrically
Der erforderliche Massekontakt der Schicht 10 wird beispielsweise durch ein Durchgangsloch, wie beispielsweise eine Bohrung 11A (
Alternativ kann die elektrisch leitende Schicht 10 mit der Leiterplatte 8 in Kontakt stehen und über diese mit den elektrisch leitenden Spuren 9 kontaktiert werden. Der erforderliche Massekontakt der Schicht 10 wird in diesem Fall über die Leiterplatte 8 hergestellt. In diesem letzten Beispiel ist die Leiterplatte jedoch in einem Fall, in welchem der Deckel mit der Leiterplatte vom Gehäuse abgenommen ist, nicht elektrisch kontaktiert.Alternatively, the electrically
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Ultraschallwandlerultrasonic transducer
- 22
- BodenFloor
- 33
- erster Abschnittfirst section
- 3I3I
- unterer Abschnittlower section
- 44
- zweiter Abschnittsecond part
- 4I4I
- oberer Abschnittupper section
- 4A4A
- StufeStep
- 4B4B
- EckeCorner
- 4C4C
- Abschnitt zwischen zwei EckenSection between two corners
- 55
- Übergangsabschnitttransition section
- 66
- Wandlerelementtransducer element
- 77
- Absorptionselementabsorption element
- 7A7A
- Hohlraumcavity
- 88th
- Leiterplattecircuit board
- 99
- SpurenSense
- 1010
- elektrisch leitende Schichtelectrically conductive layer
- 11A11A
- Bohrungdrilling
- 11B11B
- Rinnegutter
- 1212
- Füllstofffiller
- 1313
- elektrische Kontaktierung electrical contacting
- FN2FN2
- Flächennormale zum Bodensurface normal to the ground
- FN3FN3
- Flächennormale zum ersten AbschnittSurface normal to first section
- FN4FN4
- Flächennormale zum zweiten AbschnittSurface normal to the second section
- FN5FN5
- Flächennormale zum ÜbergangsabschnittSurface normal to the transition section
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2020245064 A2 [0003]WO 2020245064 A2 [0003]
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