EP1310942B1 - Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Gehäuse und zugehöriges Herstellungsverfahren - Google Patents

Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Gehäuse und zugehöriges Herstellungsverfahren Download PDF

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EP1310942B1
EP1310942B1 EP02020785.8A EP02020785A EP1310942B1 EP 1310942 B1 EP1310942 B1 EP 1310942B1 EP 02020785 A EP02020785 A EP 02020785A EP 1310942 B1 EP1310942 B1 EP 1310942B1
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EP
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membrane
diaphragm
ultrasonic sensor
housing
wall
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EP02020785.8A
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Uwe Kupfernagel
Heinrich Dr. Gotzig
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Valeo Schalter und Sensoren GmbH
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Valeo Schalter und Sensoren GmbH
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor with a pot-shaped membrane, which has a vibratory membrane bottom and a membrane wall surrounding the membrane bottom at least in sections.
  • ultrasonic sensors are used, for example, in proximity detection systems of motor vehicles.
  • the invention also relates to a method for producing such an ultrasonic sensor.
  • Known ultrasonic sensors also have decoupling media between the diaphragm and a housing receiving the diaphragm.
  • the individual components of the ultrasonic sensor are manufactured individually and joined together by nesting.
  • the positioning of the membrane is subject to undesirable tolerance fluctuations due to the component tolerances.
  • decoupling media are required, which decouple the vibration of the diaphragm against the housing.
  • an ultrasonic sensor which comprises a housing made of a porous plastic material.
  • the present invention has for its object to provide an ultrasonic sensor, in which an exact positioning of the membrane is possible and which has as few components.
  • an ultrasonic sensor having the features of claim 1. It is therefore provided in particular that the membrane wall at least in sections has a foam-like structure, and the membrane bottom has a defoamed structure, and the membrane bottom is made of the same material as the membrane wall. Decoupling media between the membrane or the membrane wall and a housing, if such is provided, are not required. Since in the operating state of the ultrasonic sensor for generating ultrasound primarily the diaphragm bottom is used, the diaphragm wall may have a foam-like structure which has a reduced ability to oscillate. Such a membrane wall takes over the function of the known from the prior art decoupling media. Since the decoupling media are not required in the ultrasonic sensor according to the invention, a component reduction is achieved.
  • the membrane bottom does not have a foam-like structure. This ensures that the membrane base retains its vibratory properties and can be used to generate ultrasound.
  • the membrane bottom has a defoamed structure.
  • the membrane bottom is initially formed foam-like and then defoamed, for example by compressing the foam-like portion which is to form the membrane bottom.
  • the membrane base has the same material as the membrane wall.
  • the membrane bottom may also consist of the same material as the membrane wall, wherein the membrane bottom is then not foamed and then defoamed, but consists of solid material.
  • the membrane wall is made, for example, of a foamed material which has a foam-like structure.
  • the ultrasonic sensor has no housing.
  • the outer side of the membrane wall which preferably has completely a foamed structure, in this case provides for securing means for arrangement on a component.
  • a component may in particular be a bumper of a vehicle.
  • Such an embodiment of the invention has the advantage that neither a decoupling medium nor an extra housing is required.
  • the diaphragm wall consisting of the foam-like structure consequently comprises the decoupling medium and the housing. Due to the achieved component reduction, the ultrasonic sensor can be arranged with exact position at the predetermined location. Undesirable tolerance deviations resulting from the individual tolerances of individual components according to the prior art do not occur. For precise positioning of the ultrasonic sensor to the component may be provided a point or line contact.
  • the volume piece can be processed before use as a membrane wall and / or membrane bottom. Particularly advantageous has been found to deep draw the volume piece.
  • the deep-drawing process can be realized from a foamed, preferably cylindrical volume piece, a cup-shaped membrane.
  • the membrane wall is negligibly affected by the deep-drawing process.
  • the membrane bottom is advantageously defoamed during the deep-drawing process, so that it can be used to generate ultrasound.
  • Processing of the foamed volume piece and / or the deep-drawn volume piece can advantageously also be carried out by machining. Turning and milling of the foamed volume piece has proved to be advantageous.
  • the foaming takes place in a foaming mold.
  • the foaming of the volume piece can be controlled.
  • post-processing is not required.
  • the foaming mold advantageously has internal dimensions that correspond to the outer dimensions of the membrane. This has the advantage that highly accurate outer dimensions of the membrane can be realized without the need for reworking the outer surfaces. Tolerances can be maintained very accurately.
  • the ultrasonic sensor 1 comprises a plastic housing 3 and a cup-shaped membrane 5 made of aluminum, wherein between the housing 3 and the diaphragm 5, a rubber-like, annular decoupling medium 7, is present.
  • the membrane 5 consists of a membrane bottom 9 which is surrounded by a membrane wall 11. On the inside of the membrane bottom 9, a piezo-ceramic disc 13 is arranged. Via an electrical line 15, which ends at the piezo-ceramic disc 13 and a further electrical line 17, which is laterally caulked on the inside of the diaphragm 5, the piezo-ceramic disc 13 are subjected to an electrical voltage.
  • the membrane 5 is filled with a mechanical damping substance 19.
  • the damping material 19 has a cutout 21.
  • a rubber part 23 is provided in the inner, upper region of the diaphragm 5.
  • a silicone casting compound 25 is provided for sealing the upwardly open membrane 5. Furthermore, a housing cover 27 covers the upwardly open housing 3.
  • the housing 3 can be arranged via fastening means 29 on a component, for example a bumper of a vehicle.
  • the ultrasonic sensor according to the invention 41 according to the FIG. 2 a membrane 45 having a membrane wall 51 of a foam-like structure.
  • the membrane wall 51 assumes the function of the membrane wall 11, the decoupling medium 7 and the housing 3 of an ultrasonic transducer 1 according to FIG. 1 ,
  • FIG. 1 corresponding components are in the FIG. 2 provided with a corresponding reference numeral.
  • the membrane bottom 49 of the membrane 45 has no foam-like, but a defoamed structure.
  • Such a defoamed structure can according to the FIG. 1 be vibrated with a piezo-ceramic disc 13 in vibration.
  • the ultrasonic sensor 41 according to FIG. 2 has compared to the known ultrasonic sensor 1 according to FIG. 1 the decisive advantage of having fewer components.
  • the regions of the membrane 45, which are not intended to be used for vibration and thus for the generation of ultrasound, have a foamed structure, and thus a vibration-damped behavior.
  • an ultrasonic transducer 41 for producing an ultrasonic transducer 41 according to FIG. 2 is advantageously a volume piece of a base material foamed, the the outer dimensions of the membrane 45 has.
  • foaming can advantageously take place in a foaming mold which has internal dimensions which correspond to the outer dimensions of the membrane 45.
  • the preferably cylindrical volume piece can be deep-drawn in such a way that the cup-shaped membrane 51 is formed.
  • the membrane bottom 49 is thus produced by compressing the part of the volume piece which lies in a vertical projection above the inner surface of the membrane bottom 49.
  • the material of the membrane bottom 49 is consequently defoamed by the deep-drawing process.
  • the membrane bottom 49 has a sufficient vibration behavior for generating ultrasound.
  • a processing of the membrane 45 can also be done by a machining, in particular by turning or milling.
  • the Indian FIG. 2 shown ultrasonic sensor 41 can directly, ie without providing an extra housing, to a component, for example, to a bumper of a vehicle, are arranged.
  • a membrane wall made of foamed material sufficient decoupling is ensured.
  • the contact of the outside of the membrane 45 to, for example, a bumper may advantageously be punctiform or linear.
  • the fastening means 29 are provided for placement on a component on the outside of the membrane wall 51.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einer topfförmigen Membrane, die einen schwingungsfähigen Membranboden und eine den Membranboden wenigstens abschnittsweise umgebende Membranwandung aufweist. Derartige Ultraschallsensoren finden beispielsweise bei Nahbereichserkennungssystemen von Kraftfahrzeugen Verwendung.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ultraschallsensors.
  • Bekannte Ultraschallsensoren weisen ferner Entkopplungsmedien zwischen der Membrane und einem die Membrane aufnehmenden Gehäuse auf. Dabei werden die einzelnen Bauteile des Ultraschallsensors einzeln hergestellt und durch Ineinanderstecken miteinander gefügt. Zum einen unterliegt die Positionierung der Membrane aufgrund der Bauteiltoleranzen unerwünschten Toleranzschwankungen. Zum anderen sind Entkopplungsmedien erforderlich, die die Schwingung der Membrane gegen das Gehäuse entkoppeln.
  • Insbesondere aus der US 4 556 814 A ist ein Ultraschallsensor bekannt geworden, der ein Gehäuse aus einem porösen Plastikmaterial aufweist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor bereitzustellen, bei dem eine exakte Positionierung der Membrane möglich ist und der möglichst wenig Bauteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist also insbesondere vorgesehen, dass die Membranwandung wenigstens abschnittweise eine schaumartige Struktur aufweist, und der Membranboden eine entschäumte Struktur aufweist, und der Membranboden aus dem gleichen Material wie die Membranwandung ist. Entkopplungsmedien zwischen der Membrane bzw. der Membranwandung und einem Gehäuse, falls ein derartiges vorgesehen ist, sind nicht erforderlich. Da im Betriebszustand des Ultraschallsensors zur Erzeugung von Ultraschall in erster Linie der Membranboden Verwendung findet, kann die Membranwandung eine schaumähnliche Struktur besitzen, die eine reduzierte Fähigkeit zu schwingen aufweist. Eine derartige Membranwandung übernimmt die Funktion der aus dem Stand der Technik bekannten Entkopplungsmedien. Da bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor die Entkopplungsmedien nicht erforderlich sind, wird eine Bauteilreduzierung erzielt.
  • Es ist vorgesehen, dass der Membranboden keine schaumartige Struktur aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass der Membranboden seine schwingungsfähigen Eigenschaften behält und zur Erzeugung von Ultraschall Verwendung finden kann.
  • Der Membranboden weist eine entschäumte Struktur auf. Hierbei ist denkbar, dass der Membranboden zunächst schaumartig ausgebildet wird und dann, beispielsweise durch Zusammenpressen des schaumartigen Abschnitts, der den Membranboden bilden soll, entschäumt wird.
  • Der Membranboden weist dabei das gleiche Material wie die Membranwandung auf. Der Membranboden kann aber auch aus dem gleichen Material wie die Membranwandung bestehen, wobei der Membranboden dann nicht aufgeschäumt und anschließend entschäumt ist, sondern aus massivem Material besteht.
  • Die Membranwandung ist beispielsweise aus einem aufgeschäumten Material, das eine schaumartige Struktur besitzt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ultraschallsensor kein Gehäuse auf. Die Außenseite der Membranwandung, die vorzugsweise vollständig eine geschäumte Struktur aufweist, sieht hierbei Besfestigungsmittel zur Anordnung an ein Bauteil vor. Ein derartiges Bauteil kann insbesondere ein Stoßfänger eines Fahrzeuges sein. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass weder ein Entkopplungsmedium noch ein extra Gehäuse erforderlich ist. Die aus der schaumartigen Struktur bestehende Membranwandung umfasst folglich das Entkopplungsmedium und das Gehäuse. Aufgrund der erzielten Bauteilreduzierung kann der Ultraschallsensor positionsgenau an der vorgegebenen Stelle angeordnet werden. Unerwünschte Toleranzabweichungen, die aus den Einzeltoleranzen einzelner Bauteile gemäß dem Stand der Technik resultieren, treten nicht auf. Zur positionsgenauen Anordnung des Ultraschallsensors an das Bauteil kann eine punkt- oder linienförmige Berührung vorgesehen sein.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Bereiche der Membrane, die nicht zur Erzeugung von Ultraschall Verwendung finden, bestehen folglich nicht aus Vollmaterial, sondern aus einer schaumartigen Struktur, die eine reduzierte Schwingfähigkeit aufweist. Dabei kann das Volumenstück vor der Verwendung als Membranwandung und/oder Membranboden bearbeitet werden. Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, das Volumenstück tiefzuziehen. Durch den Tiefziehvorgang kann aus einem aufgeschäumten, vorzugsweise zylindrischen Volumenstück, eine topfförmige Membrane realisiert werden. Die Membranwandung wird durch den Tiefziehvorgang unwesentlich beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu wird der Membranboden beim Tiefziehvorgang vorteilhafterweise entschäumt, so dass er zur Erzeugung von Ultraschall Verwendung finden kann.
  • Eine Bearbeitung des aufgeschäumten Volumenstücks und/oder des tiefgezogenen Volumenstücks kann vorteilhafterweise auch spanend erfolgen. Als vorteilhaft hat sich Drehen und Fräsen des aufgeschäumten Volumenstücks erwiesen.
  • Bei einem bevorzugten Verfahren erfolgt das Aufschäumen in einer Aufschäumform. Hierdurch kann das Aufschäumen des Volumenstücks kontrolliert erfolgen. Idealerweise ist eine Nachbearbeitung dann nicht erforderlich.
  • Die Aufschäumform weist hierbei vorteilhafterweise Innenabmessungen auf, die den Außenabmessungen der Membrane entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass hochgenaue Außenabmessungen der Membrane realisiert werden können, ohne dass eine Nachbearbeitung der Außenflächen erforderlich ist. Toleranzen können sehr genau eingehalten werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 einen Ultraschallsensor im Längsschnitt gemäß dem bekannten Stand der Technik; und
    • Figur 2 einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor im Längsschnitt.
  • In der Figur 1 ist ein bekannter Ultraschallsensor 1 dargestellt. Der Ultraschallsensor 1 umfasst ein Kunststoffgehäuse 3 und eine topfförmig ausgebildete Membrane 5 aus Aluminium, wobei zwischen dem Gehäuse 3 und der Membrane 5 ein gummiartiges, ringförmiges Entkopplungs Medium 7, vorhanden ist.
  • Die Membrane 5 besteht aus einem Membranboden 9, der von einer Membranwandung 11 umfasst wird. Auf der Innenseite des Membranbodens 9 ist eine Piezo-Keramik-Scheibe 13 angeordnet. Über eine elektrische Leitung 15, die an der Piezo-Keramik-Scheibe 13 endet und eine weitere elektrische Leitung 17, die seitlich an der Innenseite der Membrane 5 verstemmt ist, kann die Piezo-Keramik-Scheibe 13 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden.
  • Des Weiteren ist die Membrane 5 mit einem mechanischen Dämpfstoff 19 aufgefüllt. In dem Bereich, in dem die elektrische Leitung 15 zu der Piezo-Keramik-Scheibe 13 verläuft, weist der Dämpfstoff 19 einen Ausschnitt 21 auf. Zur Positionierung des Dämpfstoffes 19 ist im inneren, oberen Bereich der Membrane 5 ein Gummiteil 23 vorgesehen.
  • Zum Abdichten der nach oben offenen Membrane 5 ist eine Silikonvergussmasse 25 vorgesehen. Ferner deckt ein Gehäusedeckel 27 das nach oben offene Gehäuse 3 ab. Das Gehäuse 3 kann über Befestigungsmittel 29 an einem Bauteil, beispielsweise einem Stoßfänger eines Fahrzeugs, angeordnet werden.
  • Im Gegensatz zu dem bekannten Ultraschallsensor 1 weist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor 41 gemäß der Figur 2 eine Membrane 45 auf, die eine Membranwandung 51 aus einer schaumartigen Struktur aufweist. Die Membranwandung 51 übernimmt hierbei die Funktion der Membranwandung 11, des Entkopplungsmediums 7 und dem Gehäuse 3 eines Ultraschallwandlers 1 gemäß Figur 1.
  • Die der Figur 1 entsprechenden Bauteile sind in der Figur 2 mit entsprechendem Bezugszeichen versehen. Der Membranboden 49 der Membrane 45 weist keine schaumartige, sondern eine entschäumte Struktur auf. Eine derartige entschäumte Struktur kann entsprechend der Figur 1 mit einer Piezo-Keramik-Scheibe 13 in Schwingung versetzt werden.
  • Der Ultraschallsensor 41 gemäß Figur 2 hat gegenüber dem bekannten Ultraschallsensor 1 gemäß Figur 1 den entscheidenden Vorteil, dass er weniger Bauteile aufweist. Die Bereiche der Membrane 45, die nicht zur Schwingung und damit zur Erzeugung von Ultraschall herangezogen werden sollen, weisen eine geschäumte Struktur, und damit ein schwingungsgedämpftes Verhalten auf.
  • Zur Herstellung eines Ultraschallwandlers 41 gemäß Figur 2 wird vorteilhafterweise ein Volumenstück aus einem Basismaterial aufgeschäumt, das die Außenabmessungen der Membrane 45 aufweist. Ein derartiges Aufschäumen kann vorteilhafterweise in einer Aufschäumform erfolgen, die Innenabmessungen aufweist, die den Außenabmessungen der Membrane 45 entsprechen. Zur Herstellung des Membranbodens 49 kann das vorzugsweise zylindrische Volumenstück derart tiefgezogen werden, dass die topfförmige Membrane 51 entsteht. Der Membranboden 49 wird also durch Zusammenpressen des Teils des Volumenstücks erzeugt, der in senkrechter Projektion oberhalb der Innenfläche des Membranbodens 49 liegt. Das Material des Membranbodens 49 wird folglich durch den Tiefziehvorgang entschäumt. Durch eine derartige Entschäumung weist der Membranboden 49 ein ausreichendes Schwingverhalten zur Erzeugung von Ultraschall auf.
  • Eine Bearbeitung der Membrane 45 kann ferner durch eine spanende Bearbeitung, insbesondere durch Drehen oder Fräsen, erfolgen.
  • Der in der Figur 2 dargestellte Ultraschallsensor 41 kann unmittelbar, d.h. ohne Vorsehen eines extra Gehäuses, an ein Bauteil, beispielsweise an einen Stoßfänger eines Fahrzeuges, angeordnet werden. Durch die Verwendung einer Membranwandung aus aufgeschäumtem Material wird eine ausreichende Entkopplung gewährleistet. Die Berührung der Außenseite der Membrane 45 an beispielsweise einen Stoßfänger kann vorteilhafterweise punkt- oder linienförmig erfolgen.
  • In Figur 2 sind die Befestigungsmittel 29 zur Anordnung an ein Bauteil an der Außenseite der Membranwandung 51 vorgesehen.

Claims (4)

  1. Ultraschallsensor (41) mit einer topfförmigen Membrane (45), die einen schwingungsfähigen Membranboden (49) und eine den Membranboden (49) wenigstens abschnittsweise umgebende Membranwandung (51) aufweist, wobei die Membranwandung (51) wenigstens abschnittsweise eine schaumartige Struktur aufweist, und der Membranboden (49) aus dem gleichen Material wie die Membranwandung (51) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranboden (49) eine entschäumte Struktur aufweist.
  2. Ultraschallsensor (41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite der Membranwandung (51) Befestigungsmittel (29) zur Anordnung an ein Bauteil, beispielsweise an einen Stossfänger eines Fahrzeuges, aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Basismaterial zu einem Volumenstück aufgeschäumt wird und das Volumenstück wenigstens abschnittsweise eine die Membranwandung (51) bildende schaumartige Struktur aufweist und den Membranboden (49) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das den Membranboden (49) bildende aufgeschäumte Volumenstück bei der Bearbeitung zur Realisierung des Membranbodens (49) entschäumt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschäumung durch Tiefziehen erfolgt.
EP02020785.8A 2001-11-09 2002-09-17 Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Gehäuse und zugehöriges Herstellungsverfahren Expired - Lifetime EP1310942B1 (de)

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