DE3826799C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler, insbesondere für Abstandswarnanlagen an Kraftfahrzeugen, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.

Beim Einsatz von Ultraschallwandlern bei der Abstandsmessung in Kraftfahrzeugen kommt es entscheidend auf eine kurze Nachschwingzeit an, wenn der Wandler sowohl als Sendeelement wie auch als Empfangselement verwendet und eine verhältnismäßig kurze Entfernung im Zentimeter-Bereich noch einwandfrei gemessen werden soll. Die Nachschwingzeit eines solchen Ultraschallwandlers hängt dabei entscheidend von der Dämpfung des Schwingelementes ab, wobei auch zunächst unbedeutend erscheinende Änderungen einen verhältnismäßig großen Einfluß haben. Beispielsweise beeinflußt schon die Kontaktstelle des Zuleitungsdrahtes das Schwingverhalten dieses Schwingelementes und wichtig ist natürlich auch die Lage und das Material eines Dämpfungselementes, das üblicherweise der die Piezoscheibe des Ultraschallwandlers tragenden membranartigen Bodenfläche des Schwingelementes zugeordnet ist.

In dem DE-GM 83 37 585 ist ein Ultraschallwandler beschrieben, bei dem ein dünner flexibler Zuleitungsdraht am Randbereich der Piezoscheibe elektrisch leitend kontaktiert ist. Üblicherweise hat man bisher diesen Draht an die Piezoscheibe angelötet. Aus dem erwähnten Gebrauchsmuster geht weiter hervor, daß der Bereich zwischen der Seitenwand des topfförmigen Schwingelementes und der Innenwand der Aufnahmekammer des Trägers mit einer Silikonmasse ausgegossen ist, die als Dämpfungselement wirkt. Eine solche Ausführung hat sich in der Praxis bewährt, doch ist der fertigungstechnische Aufwand erheblich und bei einer nicht ausreichend kontrollierten Fertigung sind die Werte nicht genau genug reproduzierbar, weil beim Ausgießen mit Lufteinschlüssen in der Silikonmasse gerechnet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler dieser Art so weiterzubilden, daß bei einer einfacheren und kostengünstigeren Fertigung stabile Dämpfungswerte erzielt werden. Außerdem soll der Wandler so aufgebaut sein, daß eine eventuelle Korrektur der Dämpfungswerte durch einfache konstruktive Änderungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß eine allen Anforderungen gerecht werdende Dämpfung auch dann erreicht werden kann, wenn man das Schwingelement gewissermaßen federelastisch in dem Träger aufhängt und dazu einen Stopfen aus einem dämpfenden Material, beispielsweise also einen Silikonkautschuk verwendet, der in die Aufnahmekammer des Trägers eingepreßt ist und selbst aber Mittel zur stabilen Fixierung des Schwingelementes aufweist.

Bei einer solchen Ausbildung kann man nämlich die Dämpfungseigenschaften leicht durch konstruktive Änderungen des Dämpfungselementes variieren. Man muß dazu lediglich beispielsweise den Preßsitz des Stopfens durch Vergrößerung dessen Durchmessers erhöhen. Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung, bei der gewissermaßen die Dämpfungswerte nur durch Änderungen des Materials variiert werden können, kann man also im vorliegenden Fall das gleiche Material verwenden und muß lediglich bestimmte Abmessungen dieses vorgefertigten Stopfens variieren.

Bei einer bevorzugten Ausführung hat der Stopfen aus seiner Mantelfläche radial vorstehende Stege und zwischen den Stegen in die Mantelfläche eingearbeitete Nuten. Ein derart ausgebildeter, gewissermaßen einstückig mit O-Ringen an seiner Mantelfläche ausgerüsteter Stopfen kann ohne großen Kraftaufwand in die Aufnahmekammer des Trägers eingesetzt werden, ist aber dennoch stabil und wasserdicht verankert.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 5 kann die Dämpfung des Schwingelementes weiter beeinflußt werden, denn beispielsweise durch Variation der Länge des von der Aufnahmenut für die Seitenwand des Schwingelementes umgebenen Kerns kann auch die Dicke einer zwischen der Stirnfläche dieses Stopfenkerns und der Piezoscheibe angeordneten Schaumstoffscheibe variiert werden.

Wesentlich ist weiterhin, daß bei Verwendung eines vorgefertigten Stopfens weitere Funktionen ohne Aufwand realisierbar sind. So kann gemäß Anspruch 6 am Stopfen betriebssicher eine Leiterplatte für elektrische Bauelemente verankert werden, die zur Kompensation des Temperaturganges eines solchen Wandlers meist erforderlich sind.

Insgesamt ist also insoweit festzustellen, daß durch diesen Stopfen eine betriebssichere Fixierung des eigentlichen Schwingelementes in der Aufnahmekammer des Trägers gegeben ist, daß aber dieser Stopfen zugleich weitere Funktionen erfüllt, weil er das Schwingelement dämpft und weil er weitere Bauelemente, nämlich eine Leiterplatte hält.

Die Fixierung des Schwingelementes und damit auch der Piezoscheibe an dem vorgefertigten Stopfen ermöglicht nun auch andere Ausbildungen hinsichtlich der Kontaktierung des Zuleitungsdrahtes zu dieser Piezoscheibe. Es besteht nämlich jetzt die Möglichkeit einer Trennung der Zuleitung im Bereich dieses Stopfens. Dies ermöglicht aber wiederum die Verwendung eines schraubenfederähnlichen oder spiralförmig ausgebildeten Zuleitungsdrahtstückes, das an der Piezoscheibe mittels eines Leitklebers kontaktiert ist. Man kann daher auf das aufwendige Löten verzichten. Bevorzugt wird eine Ausführung, bei der dieses Zuleitungsdrahtstück an einem hohlen Niet aus einem elektrisch leitfähigen Material fixiert ist, der in einer axial durchgehenden Bohrung im Stopfen gehalten ist. Wichtig ist dabei, daß über den Hohlniet der Raum zwischen dem Stopfen und der membranartigen Bodenfläche des Schwingelements bei dessen Montage entlüftet werden kann.

In den Ansprüchen 12 bis 16 ist angegeben, wie man dieses Zuleitungsdrahtstück ohne großen fertigungstechnischen Aufwand betriebssicher und gut leitend an dem Hohlniet fixieren kann.

Die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der wesentlichen Einzelteile eines Ultraschallwandlers,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung eine Einzelheit aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Variante von Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere Variante zu Fig. 3 bzw. 4.

Der Ultraschallwandler nach Fig. 1 hat einen Träger 10 aus einem formstabilen Kunststoff, der eine Aufnahmekammer 11 abgrenzt und auf der Kammerrückseite einstückig ein Steckergehäuse 12 für die Stecker 13 aufweist.

Mit 20 ist ein topfförmiges Schwingelement bezeichnet, das eine umlauf ende Seitenwand 21 und eine als Membran dienende Bodenfläche 22 aufweist. Diese Bodenfläche 22 trägt eine Piezoscheibe 25.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Verwendung eines vorgefertigten Stopfens 30 aus einem dämpfenden Material, vorzugsweise einem Silikonkautschuk. Dieser Stopfen 30 hat eine im wesentlichen zylindrische Form, wobei von der Stirnfläche 31 her axial eine im Querschnitt ringförmige Aufnahmenut 32 eingearbeitet ist, die sich axial bis zu einem Grundkörper oder Boden 33 erstreckt. Der Querschnitt dieser ringförmigen Aufnahmenut 32 ist auf den Querschnitt der umlaufenden Seitenwand 21 des Schwingelementes angepaßt so daß dieses Schwingelement also axial mit seiner umlaufenden Seitenwand 21 in diese Aufnahmenut 32 eingefügt und dort unter einem gewissen Preßsitz gehalten wird. Da die axiale Länge L1 des Ringflansches zwischen der Aufnahmenut 32 und der Mantelfläche 34 des Stopfens 30 größer ist als die axiale Länge L2 des von der Aufnahmenut 32 umgebenen Kerns 35, verbleibt genügend Raum zwischen der Stirnfläche dieses Stopfenkerns und der Piezoscheibe 25 für ein weiteres Dämpfungselement in Form einer Schaumstoffscheibe 26.

Der Grundkörper 33 des Stopfens 30 hat von der anderen Stirnfläche 36 her eine Aussparung 37 mit einer Ringnut 38, in die eine Leiterplatte 45 einknöpfbar ist, die mit elektrischen Bauelementen bestückt ist, über die ein Temperaturabgleich für den Ultraschallwandler realisierbar ist. Zwischen dieser Leiterplatte 45 und dem Stopfen ist eine weitere Schaumstoffscheibe 46 vorgesehen. Die vormontierte Baueinheit aus Schwingelement 20, Piezoscheibe 25, Schaumstoffscheibe 26, Stopfen 30, Schaumstoffscheibe 46, Leiterplatte 45 wird in die Aufnahmekammer 11 des Trägers eingesteckt. Die aus der Mantelfläche 34 vorstehenden Stege 39 und die dazwischen eingearbeiteten Nuten 40 bewirken ähnlich wie O-Ringe eine stabile Verankerung im Preßsitz innerhalb der Aufnahmekammer 11 des Trägers 10. Nach der Montage schließt die Stirnfläche 23 des Schwingelementes 20 bündig mit der Stirnfläche 31 des Ringflansches am Stopfen 30 sowie mit der Stirnfläche 14 des Trägers ab. Dies ist wichtig, denn auch durch die Lage der Baueinheit aus Schwingelement und Stopfen relativ zum Träger 10 wird unter Umständen die Dämpfung und damit die elektroakustische Eigenschaft des Ultraschallwandlers beeinflußt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Zuleitungsdraht 50 am Rand der Piezoscheibe 25 angelötet. Er führt durch die Schaumstoffscheibe 26 und eine Bohrung 41 im Stopfenkern 35 hindurch zur Leiterplatte 45. In einer weiteren Bohrung des Stopfens 30 ist ein weiterer Zuleitungsdraht 51 geführt, der über eine Lötfahne 52 an der Seitenwand 21 des Schwingelementes kontaktiert ist.

Bei dieser Ausführung nach Fig. 1 ist also ein Zuleitungsdraht 50 mit der Piezoscheibe 25 verlötet. Dieser Lötarbeitsgang ist nur schwer in eine automatische Fertigung integrierbar und daher verhältnismäßig zeitraubend und teuer. Durch das Löten könnte außerdem die Verklebung zwischen Piezoscheibe 25 und Bodenfläche 20 beschädigt werden.

Bei den Ausführungen nach den Fig. 2 bis 5 wird gewissermaßen die einstückige leitende Verbindung zwischen der Leiterplatte 45 und der Piezoscheibe 25 verlassen und statt dessen im Bereich des Stopfens 30 eine Trennung der Zuleitung vorgesehen. Bei allen diesen Ausführungen ist ein in seinem Endbereich schraubenfederähnlich ausgebildetes Zuleitungsdrahtstück 60 mittels eines Leitklebers 61 mit der Piezoscheibe 25 kontaktiert und andererseits in einem Hohlniet 62 fixiert, der in einer Bohrung 41 des Stopfens 30 sitzt. Der Hohlniet selbst ist aus elektrisch leitfähigem Material und über nicht näher erkennbare Litzen mit der Leiterplatte 45 elektrisch leitend verbunden. Die Varianten in den Fig. 3, 4 und 5 zeigen jeweils in vergrößerter Darstellung die in Fig. 2 eingekreiste Einzelheit. Die Ausführungen unterscheiden sich in der Fixierung dieses schraubenfederähnlichen Zuleitungsdrahtstückes 60 am Hohlniet 62. Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird dieses Zuleitungsdrahtstück 60 bis zu einem Anschlag 70 axial in den Hohlniet eingeschoben und dann durch Verstemmungen 71 im Abstand von diesem Anschlag 70 arretiert. Bei der Ausführung nach Fig. 4 wird das Zuleitungsdrahtstück 60 auch am anderen Ende mit einem Leitkleber 75 benetzt und über diesen Leitkleber 75 an dem Anschlag 70 gehalten. Bei der Variante nach Fig. 5 wird das Zuleitungsdrahtstück 60 auf das Außengewinde eines Haltestückes 80 aufgedreht und dieses Haltestück 80 stützt sich an dem Anschlag 70 ab und wird durch eine Verstemmung 71 in dem Hohlniet 62 gehalten. Das Haltestück 80 hat dabei eine axiale Bohrung 81, so daß eine Entlüftung des Raumes zwischen dem Stopfen 30 und der Piezoscheibe 25 bei der Montage möglich ist. Das Zuleitungsdrahtstück 60 ist bei all diesen Varianten oberflächenbehandelt derart, daß sich eine bessere Leitfähigkeit ergibt. Außerdem ist der Federdruck dieses Zuleitungsdrahtstückes 60 so gewählt, daß die Dämpfung des Schwingelementes nicht wesentlich beeinflußt wird.

Aus den Fig. 2 bis 5 geht hervor, daß der Hohlniet 62 bündig mit dem Kern 35 des Stopfens 30 abschließt. Die zwischen dem Stopfenkern und der Piezoscheibe 25 eingefügte Schaumstoffscheibe 26 hat einen Durchbruch 85, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Hohlnietes 62 entspricht. Dieser Durchbruch 85 läßt also diesem Zuleitungsdrahtstück 60 ausreichend Raum für gewisse seitliche Ausweichbewegungen.

Zur Montage eines solche Ultraschallwandlers wird noch auf folgendes hingewiesen.

Zunächst wird das Zuleitungsdrahtstück 60 nach einer der dargestellten Varianten mit dem Hohlniet 62 verbunden. Der Hohlniet 62 mit dem Zuleitungsdrahtstück 60 wird dann in die Bohrung 41 im Stopfen 30 eingepreßt. Die Piezoscheibe 25 wird auf die Membran 22 des Schwingelementes 20 geklebt. Dann wird die Schaumstoffscheibe 26 in das topfförmige Schwingelement eingelegt und die Bohrung 85 so ausgerichtet, daß sie auf das Zuleitungsdrahtstück 60 zeigt. Das freie Ende dieses Zuleitungsdrahtstückes 60 wird dann mit Leitkleber benetzt. Schließlich werden der Stopfen 30 mit dem Hohlniet 62 und dem Zuleitungsdrahtstück 60 und das Schwingelement 20 ineinander gefügt, wobei das Zuleitungsdrahtstück 60 mit dem Leitkleber 61 mit der Piezoscheibe dauerhaft kontaktiert wird. Abhängig von der Art des verwendeten Leitklebers wird man anschließend ein bestimmtes Trocknungsverfahren für diesen Leitkleber durchführen.

Abschließend sollen nochmals kurz die wesentlichen Vorteile angegeben werden, die darin zu sehen sind, daß mit Hilfe des Stopfens und der vor der Piezoscheibe liegenden Schaumstoffscheibe eine gute Dämpfung erreicht wird. Durch den Stopfen wird das Schwingelement betriebssicher am Träger gehalten. Der Preßsitz zwischen Stopfen und Träger beeinflußt dabei wiederum die Dämpfung. Die Bohrungen im Stopfen nehmen die Zuleitungen auf, die einfach montiert werden können. Für die Merkmale des Anspruches 12 und der davon abhängigen Ansprüche wird selbständiger Schutz beansprucht, weil diese Gedanken mit Vorteil auch dann realisiert werden können, wenn das Schwingelement wie bisher in dem Träger mit einem dämpfenden Werkstoff umgossen wird.

Claims (18)

1. Ultraschallwandler, insbesondere für Abstandswarnanlagen an Kraftfahrzeugen mit einem Träger mit einer Aufnahmekammer für ein topfförmiges Schwingelement, das eine umlaufende Seitenwand aufweist und auf seiner als Membran dienenden Bodenfläche eine Piezoscheibe trägt, wobei der Bereich zwischen der Seitenwand des Schwingelementes und der Innenwand der Aufnahmekammer durch ein Dämpfungselement aus einem elastischen Werkstoff ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement als vorgefertigter Stopfen (30) mit einer sich axial bis zu einem Grundkörper (33) erstreckenden, im Querschnitt ringförmigen Aufnahmenut (32) zur Aufnahme der Seitenwand (21) des Schwingelementes (20) ausgebildet ist und daß dieser Stopfen (30) mit dem Schwingelement (20) in die Aufnahmekammer (11) eingesteckt und dort durch Preßsitz gehalten ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (30) aus seiner Mantelfläche (34) radial vorstehende Stege (39) und zwischen den Stegen (39) in die Mantelfläche (34) eingearbeitete Nuten (40) aufweist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (L1) des zwischen Aufnahmenut (32) und Mantelfläche (34) gebildeten Ringflansches größer ist als die axiale Länge (L2) des von der Aufnahmenut (32) umgebenen Kerns (35).

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (23) des Schwingelementes (20) wenigstens annähernd bündig mit der Stirnfläche (31) des Ringflansches des Stopfens (30) und/oder mit der Stirnfläche (14) des Trägers (10) abschließt.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der membranartigen Bodenfläche (22) des Schwingelementes (20) bzw. der Piezoscheibe (25) und der Stirnfläche (36) des Stopfenkerns (35) eine Schaumstoffscheibe (26) angeordnet ist.

6. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (33) des Stopfens (30) eine Aussparung (37) aufweist, in die von der dein Schwingelement (20) gegenüberliegenden Seite her eine Leiterplatte (45) für elektrische Bauleinente einsetzbar ist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (45) in eine Ringnut (38) im Bereich dieser Aussparung (37) einknöpfbar ist.

8. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (30) aus einem Silikonkautschuk hergestellt ist.

9. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kern (35) des Stopfens (30) wenigstens eine axial durchgehende Bohrung (41) zur Aufnahme einer elektrischen Zuleitung zu der Piezoscheibe (25) eingearbeitet ist.

10. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein an seine:n Endbereich federähnlich oder spiralförmig ausgebildetes Zuleitungsdrahtstück (60) an der Piezoscheibe (25) mittels eines Leitklebers (61) kontaktiert ist.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsdrahtstück (60) an einem Hohlniet (62) aus einem elektrisch leitfähigen Material fixiert ist, der in einer axial durchgehenden Bohrung (41) im Stopfen (30) gehalten, vorzugsweise in die Bohrung (41) eingepreßt ist.

12. Ultraschallwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich des schraubenförmigen Zuleitungsdrahtstückes (60) in den Hohlniet (62) eintaucht und sich dort in Achsrichtung an einem Anschlag (70) abstützt.

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsdrahtstück (60) mittels einer in axialem Abstand zum Anschlag (70) vorgesehenen Verstemmung (71) am Hohlniet (62) unlösbar fixiert ist.

14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsdrahtstück (60) mittels eines Leitklebers (75) an dem Hohlniet (62) unlösbar fixiert ist.

15. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsdrahtstück (60) auf ein in Achsrichtung durchbohrtes, abschnittsweise mit einem Außengewinde versehenes Haltestück (80) aufgedreht wird und daß das Haltestück (80) mittels einer Verstemmung (71) in dem Hohlniet (62) gehalten ist.

16. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsdrahtstück (60) zwecks besserer Leitfähigkeit oberflächenbehandelt ist.

17. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Federdruck des Zuleitungsdrahtstückes (60) so gewählt ist, daß die Dämpfung des Schwingelementes (20) nicht wesentlich beeinflußt wird.

18. Ultraschallwandler nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlniet (62) bündig mit der Stirnfläche des Kerns (35) des Stopfens (30) abschließt und daß die zwischen dieser Stirnfläche und der membranartigen Bodenfläche (22) des Schwingelementes (20) liegende Schaumstoffscheibe (26) einen Durchbruch (27) aufweist, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Hohlnietes (62) entspricht.