EP4594781A1 - Ultraschallsensor für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und herstellungsverfahren für einen ultraschallsensor - Google Patents

Ultraschallsensor für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und herstellungsverfahren für einen ultraschallsensor

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Publication number
EP4594781A1
EP4594781A1 EP23776877.5A EP23776877A EP4594781A1 EP 4594781 A1 EP4594781 A1 EP 4594781A1 EP 23776877 A EP23776877 A EP 23776877A EP 4594781 A1 EP4594781 A1 EP 4594781A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit board
contact pins
ultrasonic sensor
ultrasonic
metallic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23776877.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Maurer
Paul Bou Saleh
Raffi KALAYCIYAN
Fabian Haag
Bastian Hafner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP4594781A1 publication Critical patent/EP4594781A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • 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
    • 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
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/22—Mountings; Casings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2420/00—Indexing codes relating to the type of sensors based on the principle of their operation
    • B60W2420/54—Audio sensitive means, e.g. ultrasound

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor for a motor vehicle and a motor vehicle.
  • Modern motor vehicles are equipped with ultrasonic sensors that allow the surroundings of the motor vehicle to be measured by sending and receiving an ultrasonic signal.
  • the information about the vehicle surroundings obtained in this way can be evaluated by a driver assistance system in order to generate warnings for the driver, enable autonomous parking or partially or fully autonomous driving.
  • An ultrasonic sensor typically has a plastic housing with an opening into which a membrane pot is inserted.
  • a sound transducer element for stimulating vibrations and detecting vibrations of the ultrasonic membrane is arranged from the inside on an ultrasonic membrane of the membrane top.
  • a printed circuit board is also arranged in the interior of the plastic housing, on which a driver circuit for controlling the sound transducer element is mounted. Contact pins are used to contact the driver circuit with the sound transducer element.
  • unamplified signals on the line from the sound transducer element via the contact pins to the driver circuit are particularly susceptible to electromagnetic interference.
  • a shield plate was arranged on a top side (a side facing away from the sound transducer element) of the circuit board, which essentially covered the entire circuit board or at least the entire area of the components of the driver circuit mounted, for example, on the underside of the circuit board.
  • the entire arrangement was then cast with a synthetic resin.
  • Without casting it is not possible to securely mount a large-area shielding plate that is then freely arranged inside the plastic housing. The shielding plate would vibrate under the influence of the ultrasound and come loose. For this reason, the shielding plate is dispensed with and relies on downstream signal processing and compliance with minimum distances during installation in order to deal with electromagnetic interference.
  • WO 2017/097496 discloses that a membrane of a sound transducer element can be connected to a mass.
  • the US 2019/0388936 A1 discloses a membrane pot for an ultrasonic transducer.
  • the membrane pot is provided with a metallic coating.
  • a piezo element attached to the membrane from the inside is electrically connected to the metallic coating.
  • the membrane pot accordingly implements an electrical functionality, in particular an electrical ground, to improve EMC protection.
  • US 2006/0229785 A1 discloses a pedestrian protection system in which a plurality of ceramic sensors are applied to a carrier film.
  • the carrier film has a continuous metallization layer or metallic protective layer for EMC shielding of the plurality of ceramic sensors.
  • an ultrasonic sensor for a motor vehicle is proposed to solve the problem, which has: a plastic housing, a membrane pot with an ultrasonic membrane inserted into an opening in the plastic housing, a sound transducer element attached to the ultrasonic membrane from the inside for exciting and detecting vibrations of the ultrasonic membrane, a circuit board arranged in the interior of the plastic housing, on which a driver circuit for controlling the sound transducer element is mounted, two contact pins for electrically contacting the driver circuit with the sound transducer element, wherein the circuit board is pressed onto the contact pins in such a way that ends of the contact pins pass through the circuit board, and a metallic hood which, together with the circuit board, surrounds and shields the ends of the contact pins passing through the circuit board on all sides.
  • the contact pins penetrating the circuit board play a crucial role as antennas for electrical interference.
  • pressing the circuit board onto the ends of the contact pins in such a way that they penetrate the circuit board is desirable and advantageous, since in this case a simple manufacturing process and a more stable and higher quality connection between the contact pins and the circuit board can be achieved than in a case in which the contact pins are only soldered to the circuit board from one side.
  • the contact pins penetrating the circuit board are now shielded by the metal hood. This advantageously allows a field input from an electric field to be diverted before it can couple into the capacitance formed by the contact pins running essentially parallel to one another. Accordingly, the interference immunity of the ultrasonic sensor against electric fields can advantageously be improved. It is therefore also harmless if the contact pins form a high capacitance. It is therefore now possible to arrange the contact pins very close to one another.
  • the membrane pot with ultrasonic membrane can be made in one piece. This means that the membrane pot can be a cup-shaped element. A bottom surface of the pot shape can be made thinner than walls of the pot shape. In this case, the floor surface in particular forms the ultrasonic membrane.
  • the contact pins can be pressed into the plastic housing and thereby be attached to the housing in a vibration-proof manner.
  • the contact pins can be pressed into the plastic housing before the circuit board is pressed onto the ends of the contact pins.
  • the contact pins can be contacted with the driver circuit, for example, by the ends of the contact pins being pressed into a through-hole, also known as a via, with a metallized, for example tinned, inner surface when the circuit board is pressed onto the ends of the contact pins. Accordingly, a reliable electrical contact between the contact pins and the driver circuit can be provided.
  • the sound transducer element is, for example, a piezo element.
  • Controlling the sound transducer element comprises in particular sending a control signal to the sound transducer element and then receiving a reception signal from the sound transducer element.
  • each contact pin that passes through the circuit board can also be referred to as the "upper end".
  • the contact pins can be directly contacted with the sound transducer element, for example soldered.
  • the contact pins can also be indirectly contacted with the sound transducer element.
  • a loose fine wire can be used to connect a lower end of each of the contact pins to the sound transducer element.
  • An area between the sound transducer element and the lower end of the contact pin, in The area through which the loose fine wire runs can be filled with foam. This can provide additional sound insulation.
  • the term "enclosed on all sides together with the printed circuit board” is to be understood in particular as meaning that a space in which the upper ends of the contact pins are arranged is delimited in every spatial direction either by a surface of the metallic hood or by a surface of the printed circuit board.
  • the metal hood is in particular a grounded metal hood.
  • Grounded is to be understood in particular as a connection to a ground that is at least not high-resistance.
  • “Not high-resistance” is to be understood in particular as a resistance to ground of less than 1000 ohms, preferably less than 800 ohms, particularly preferably less than 600 ohms.
  • the driver circuit comprises one or more electronic components mounted on the circuit board on the same side of the circuit board as the metallic hood, outside the metallic hood.
  • the components are arranged outside the metallic hood and are therefore not shielded by it.
  • the metallic hood shields the ends of the contact pins, where electrical interference fields are most likely to couple in.
  • the metallic hood is therefore advantageously small and can be mounted on the circuit board in a vibration-proof manner. This means that it is advantageously possible to dispense with casting the interior of the plastic housing.
  • the side of the circuit board on which the metallic hood, the ends of the contact pins passing through the circuit board and, according to the present embodiment, also the electronic components are arranged, can also be referred to as the top side.
  • the other side of the circuit board, on which the remaining sections of the contact pins are arranged and contact the sound transducer element, can also be referred to as the underside.
  • the electronic components can be, for example, a capacitor, a coil, a transistor, an operational amplifier, a processor, an ASIC and the like.
  • an interior space in the plastic housing is not cast at least on the same side of the circuit board as the metallic hood.
  • the interior space can be, in particular, a free space, i.e. a space that is not filled, on the top side of the circuit board, as long as it is not occupied by the metallic hood or the components.
  • the weight of the ultrasonic sensor can be reduced, the ultrasonic sensor can be less rigid and material breakages are advantageously less likely. At the same time, excellent damping against electric fields is still provided by the metallic cover.
  • the circuit board is mounted on a projection of the plastic housing.
  • the seated bearing on the projection of the housing advantageously offers stability and vibration resistance.
  • the projection of the plastic housing is in particular an inwardly projecting projection.
  • the projection can be ring-shaped or circumferential.
  • the projection can be formed in particular near the diaphragm pot, where a main section of the plastic housing narrows to the opening into which the diaphragm pot is inserted.
  • a seated mounting on such a projection can in particular only be made possible by the fact that the components are advantageously arranged on the top of the circuit board. This in turn can in particular be made possible by that the metallic cover provides shielding against electrical interference fields, which could not previously be provided with conventional solutions for components arranged on the top.
  • the metallic hood has four walls that run perpendicular to the circuit board and a wall that runs parallel to the circuit board and above the ends of the contact pins.
  • the metal hood is in particular a cuboid or cube-shaped hood.
  • a hood is particularly easy to manufacture. It can also be attached to the circuit board in a vibration-proof manner at three edges where it is perpendicular to the circuit board and can have an advantageously high level of rigidity.
  • an outer wall of the metallic hood is arranged at an edge of the circuit board, and a tab formed continuously with the outer wall runs past the edge of the circuit board towards the membrane pot.
  • a section of the contact pins on the underside of the circuit board between the circuit board and the membrane pot can also be advantageously shielded by the tab and the shielding effect can be further improved.
  • “Arranged at an edge” can mean in particular that the outer wall is arranged in such a way that the tab running from the outer wall towards the membrane pot touches the edge of the circuit board.
  • the tab and the outer wall can in particular be formed in one piece.
  • the metallic hood can be formed in one piece as a whole, with the tab and the outer wall being sections of the one-piece metallic hood.
  • the outer wall can be one of the walls running perpendicular to the circuit board.
  • the tab extends at least in one direction towards the diaphragm cup. Particularly preferably, the tab extends partially to the diaphragm cup or to a level of the diaphragm cup.
  • the tab runs parallel to a plane formed by the two contact pins and is as wide as or wider than a distance between the two contact pins.
  • a capacitance formed by the two contact pins is advantageously shielded by the tab in a section of the contact pins that runs along the tab.
  • the metallic hood is contacted with the circuit board and grounded.
  • grounding of the metal cover can advantageously be provided via a conductor track of the circuit board.
  • the circuit board can be pressed onto further contact pins that connect the inside of the plastic housing to an outside of the plastic housing. In this way, a vehicle ground can be led into the ultrasonic sensor and to the metal cover for grounding the metal cover.
  • the metallic hood is contacted with the circuit board by means of a spring pin which is formed continuously with one of the walls of the metallic hood and which is pressed into a through-plating of the circuit board.
  • more than one wall of the metallic hood is provided with a respective spring pin; particularly preferably, at least three of the four walls running perpendicular to the circuit board and standing perpendicular to the circuit board are provided with a respective spring pin.
  • the spring pin can in particular be formed as a single piece with the metallic cover.
  • the through-hole can also be referred to as a contact hole or via.
  • it can have a metallized, for example tin-plated, inner surface that is grounded and is in contact with the spring pin when it is pressed into the plated-through hole.
  • the spring pin is designed as an eyelet enclosing an elongated hole.
  • the spring pin can be particularly easily formed in one piece with the rest of the metal hood, for example by punching from a metallic sheet.
  • the metallic hood is made of copper or brass sheet with a sheet thickness between 0.2 and 0.4 mm, preferably 0.3 mm.
  • electrical eddy currents with a frequency in the working range of the ultrasonic sensor are optimally dampened and at the same time with the minimum amount of material required.
  • the penetration depth of an electrical eddy current with a frequency of 50 kHz in copper is approximately 0.3 mm.
  • the metallic hood is punched and folded in one piece from the copper or brass sheet.
  • the membrane pot is a metallic membrane pot that is not connected to ground with a high resistance.
  • the diaphragm pot is grounded and can advantageously also have a shielding effect against electromagnetic interference fields.
  • the metal hood also has the tab that runs up to the diaphragm pot, an entire current path of the not yet amplified raw signals of the sound transducer element from the metal element via the contact pins to the driver circuit can be shielded against electrical interference fields by the interaction of the metal diaphragm pot, the metal hood and their walls and their tab.
  • the diaphragm pot can be made of aluminum, for example.
  • the diaphragm pot can be made of a non-metallic material and have at least one metallic coating; such a diaphragm pot is also considered a metallic diaphragm pot in the sense of the present embodiment.
  • Grounded is understood to mean in particular a connection to a ground that is at least not high-resistance.
  • “Not high-resistance” is understood to mean in particular a resistance to ground of less than 1000 ohms, preferably less than 800 ohms, particularly preferably less than 600 ohms.
  • a motor vehicle with an ultrasonic sensor according to the first aspect or one of the embodiments of the first aspect is proposed.
  • the motor vehicle can be, for example, an automobile or a passenger car or even a truck.
  • a method for producing an ultrasonic sensor comprises: pressing two contact pins into a plastic housing; inserting a membrane pot with an ultrasonic membrane and a sound transducer element attached to the ultrasonic membrane from the inside for exciting and detecting vibrations of the ultrasonic membrane into an opening in the plastic housing; contacting the contact pins with the sound transducer element; pressing a circuit board on which a driver circuit for controlling the sound transducer element is mounted onto the ends of the contact pins in such a way that the ends pass through the circuit board; producing a metallic hood by punching out a blank from a copper or metal sheet and folding the blank; and mounting the metallic hood on the circuit board in such a way that the metallic hood, together with the circuit board, surrounds and shields the ends of the contact pins passing through the circuit board on all sides.
  • Fig. 1 shows an ultrasonic sensor according to exemplary embodiments
  • Fig. 2 shows a motor vehicle according to embodiments
  • Fig. 3A-D show possible electrical interference fields
  • FIG. 4 shows a section AA in FIG. 1 of an ultrasonic sensor according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 5 shows a section B-B in Fig. 4;
  • Fig. 6 shows a section A-A in Fig. 1 of an ultrasonic sensor according to a second
  • Fig. 7 shows a section B-B in Figs. 6, 8;
  • Fig. 8 shows a section CC in Figs. 6, 7;
  • Fig. 9 shows a blank according to the second exemplary embodiment.
  • Fig. 10 shows a manufacturing method according to a third embodiment.
  • Fig. 1 shows an ultrasonic sensor 100 according to exemplary embodiments.
  • the ultrasonic sensor has a housing 2 made of plastic and a metallic membrane pot 7 with an ultrasonic membrane 8 inserted into an opening (not shown in FIG. 1) of the housing 2.
  • the housing has a body 3, a union ring 4, a cover 5 and an extension section 6.
  • the union ring 4 holds the membrane pot 7 on the body 3 of the housing 2.
  • the cover 5 is placed on the body 3 in an interior of the housing 2 after the components described in more detail have been assembled.
  • the union ring 4, the lid 2 and the extension section 6 can be joined to the body 3, for example by ultrasonic welding.
  • the ultrasonic sensor 100 is set up to emit ultrasonic signals by controlling the ultrasonic membrane 8, with a central direction of an emitted ultrasonic signal lobe coinciding with an axial direction 13 of the membrane pot 7.
  • the ultrasonic membrane 8 serves as a “loudspeaker”.
  • the ultrasonic sensor 100 is also set up to receive reflected ultrasonic signals, for example from the surroundings of a motor vehicle 1 (FIG. 2).
  • the ultrasonic membrane 8 serves as a “microphone”. Signals for controlling the ultrasonic membrane 8 as well as received signals supplied by the ultrasonic membrane 8 are led out of the housing 2 of the ultrasonic sensor 100 through signal lines (not shown) through the extension section 6.
  • Fig. 2 shows a motor vehicle 1 according to embodiments.
  • the motor vehicle 1 has several of the ultrasonic sensors 100.
  • a first ultrasonic sensor 101 is arranged in a front bumper 52 of the motor vehicle 1.
  • Three ultrasonic sensors 102, 103, 104 are arranged in a side sill 9 of the motor vehicle 1.
  • An ultrasonic sensor 105 is arranged in a rear bumper 10 of the motor vehicle 1.
  • a line 11 of a local instrumentation network, LIN is also arranged in the immediate vicinity of the ultrasonic sensor 101.
  • LIN is a simple standard for data-based vehicle on-board networks and is used, for example, for rain sensors, wiper motors, spray devices and the like.
  • the signals of a LIN are rectangular with a stroke of 12 V and have a rise rate of 2 V / ps.
  • a LIN operates at a frequency of 19 kHz.
  • a harmonic overtone of this is three times that, i.e. 57 kHz, and thus in a range in which the ultrasonic sensor 101 also sends out and receives acoustic ultrasonic signals.
  • ultrasonic sensor 101 Within the ultrasonic sensor 101, as explained later with reference to Fig. 4 and Fig. 5, electrical signals that correspond to the acoustic ultrasonic signals are generated by a sound transducer element 25 (Fig. 5). Thus, electrical fields generated by line 11 of the LIN represent potential interference fields for the ultrasonic sensor 101. For example, the ultrasonic sensor 101 could falsely signal the reception of an ultrasonic echo, although in fact only an interference field from a signal on line 11 has disturbed the ultrasonic sensor 101. This is referred to as "ghost echoes". This problem is particularly pronounced in the front bumper 52 of the motor vehicle 1, since a required minimum distance between the ultrasonic sensor 101 and the line 11 may not be maintained due to limited space.
  • FIGS. 3A-D Possible relative spatial arrangements of ultrasonic sensor 101 and line 11 are shown in FIGS. 3A-D.
  • the course of field lines of an electrical interference field is indicated by arrows.
  • the electrical interference field acts on the ultrasonic sensor 101 primarily from the left and from above.
  • Fig. 4 shows a section A-A in Fig. 1 of the ultrasonic sensor 100 in a design according to a first embodiment
  • Fig. 5 shows a section B-B in Fig. 4.
  • a direction indication "downward” and a location indication “down” refer hereinafter to a direction along the axial direction 13 downwards in Fig. 5 or into the plane of the page in Fig. 4.
  • a direction indication "upward” and a location indication “up” refer hereinafter to a direction opposite the axial direction 13 upwards in Fig. 5 or out of the plane of the page in Fig. 4.
  • the diaphragm cup 7 is placed on an edge 11 of the downwardly open body 3.
  • the collar ring 4 is placed on the diaphragm cup 7 and the body 3. Accordingly, the diaphragm cup 7 is inserted into an opening 12 of the housing 2 formed by the body 3 and the collar ring 4.
  • a circuit board 16 is arranged in an interior space 14 of the housing 2.
  • Electronic components 17, 18 of a driver circuit 19 are arranged on the circuit board 16.
  • the driver circuit 19 can also comprise conductor tracks (not shown) that run on or in the circuit board 16.
  • first contact pins 20, 21 are pressed into the body 3 of the housing 2. Furthermore, several second contact pins 22, 23, 24 are pressed into the body 3 and the extension section 5 of the housing 6.
  • the first contact pins 20, 21 are used to contact the driver circuit 19 with a piezo element 25 arranged on an inside of the ultrasonic membrane 8. Lower ends of the first contact pins 19, 20 are indirectly contacted with the piezo element 25 via respective loose, non-tensioned fine wires 26 .
  • a lower area 28 of the interior 14 in the area of the loose wires 26 can be filled with foam. In this way, an advantageous vibration decoupling is achieved between the ultrasonic membrane 8 with the piezo element 25 on the one hand and the housing 3 and the circuit board 16 on the other hand.
  • the second contact pins 22, 23, 24 are used to contact the driver circuit 19 with lines (not shown) which lead out of the ultrasonic sensor 100 through the extension section 6 and can be connected, for example, to a control unit (not shown) of the motor vehicle 1 (FIG. 2). .
  • the circuit board 16 has several through-holes 29-33.
  • the circuit board is pressed onto the upper ends 35, 36 of the contact pins 20-24 so that the upper ends 35, 36 of the contact pins 20-24 pass through the through-holes 29-33 of the circuit board 16. In this way, the contact pins 20-24 are contacted with the driver circuit 19. At the same time, this results in a firm fit of the circuit board 16 on the contact pins 20-24.
  • the circuit board 16 is particularly preferably supported on a circumferential and inwardly projecting projection 15 of the housing 2. Supporting the projection 15 arranged far below is made possible by the fact that the components 17, 18 of the driver circuit 19 are arranged on the top side of the circuit board 16, i.e. on the same side as the upper ends 35, 36 of the contact pins 20-24 passing through the circuit board 16.
  • the circuit board 16 is thus advantageously pressed and supported in the housing 2 in a stable and firm manner, in particular vibration-proof.
  • the driver circuit 19 is connected via the contact pins 22, 23, 24 and the lines (not shown) from the control unit (not shown) of the motor vehicle 1 (FIG. 2). controls.
  • the driver circuit generates a suitable electrical control signal for the piezo element 25 and transmits this to the piezo element 25 via the contact pins 20, 21 and the loose fine wires 26.
  • the piezo element 25 excites the ultrasonic membrane 8 of the membrane pot 7 to oscillate, whereby an acoustic ultrasonic signal is emitted in the axial direction 13.
  • this ultrasonic signal is reflected back to the ultrasonic membrane 8 in the surroundings of the motor vehicle 1 (FIG. 2), it is excited to oscillate.
  • the piezo element 25 detects the vibrations of the ultrasonic membrane 8 and sends an electrical reception signal, which is indicative of the received ultrasonic signal, to the driver circuit 19 via the loose fine wires 26 and the contact pins 20, 21.
  • the driver circuit 19 amplifies the reception signal and sends it via the Contact pins 22, 23, 24 and the lines, not shown, to the control unit, not shown, of the motor vehicle 1 (Fig. 2).
  • the control device can, for example, determine a distance to an obstacle in the surroundings of the motor vehicle 1 (FIG. 2) based on a transit time difference between emitting the ultrasonic signal and receiving the reflected ultrasonic signal.
  • an un-amplified and therefore very weak electrical reception signal is transmitted from the piezo element 25 to the driver circuit 19 via the contact pins 20, 21 and the fine wires 26, 27.
  • This reception signal is particularly susceptible to electrical and magnetic interference fields.
  • the distance between the contact pins 20 and 21 is therefore chosen to be narrow, as shown in Fig. 4.
  • the distance between the two contact pins 20, 21 is, for example, no more than 5 mm, preferably no more than 3 mm, particularly preferably no more than 1 mm. In this way, an inductance of a coil formed by the contact pins 20, 21, the circuit board 16 and the piezo element 25, via which a magnetic interference field could couple in, is low.
  • the membrane pot 7 is made of a metal or is provided with a metallic coating and therefore shields the loose fine wires 26 against electrical shield against interference fields.
  • the membrane pot 7 is also connected directly to ground or at least not with high resistance, for example with a resistance of 600 ohms to 800 ohms, in any case with a resistance of less than 1000 ohms, in order to be able to develop this shielding effect as best as possible.
  • a line (not shown) running in the body 3 can be used, which connects the membrane pot 2 to one of the second contact pins 22-24.
  • the first contact pins 20, 21 are also comparatively well shielded along their course by the membrane pot 7 on the one hand and by the circuit board 16 on the other hand.
  • the metallic hood 40 surrounds and shields neither the upper ends 36 of the second contact pins 22-24 nor the components 17, 18 of the driver circuit 19.
  • the majority of the conductor tracks (not shown) on the circuit board 16 are also not covered by the metallic hood 40.
  • the metallic hood 40 can advantageously be designed with a small size and a low weight.
  • the metallic hood 40 can thus be manufactured using simple means, comparable to other components 17, 18, vibration-resistant on the circuit board 16 and hardly contributes to an increase in the weight of the ultrasonic sensor 100.
  • the metallic hood 40 can in particular be made from a copper or brass sheet.
  • the sheet thickness is preferably set up in such a way that a penetration depth of an expected electrical interference field is essentially completely absorbed in the sheet, but the sheet does not become unnecessarily thick. In the case of the LIN discussed with reference to FIG. 2 as a source of interference, a sheet thickness of 0.3 mm is sufficient.
  • the sheet thickness is preferably at least 0.2 and at most 0.4 mm.
  • Fig. 6 shows a section A-A in Fig. 1 of an ultrasonic sensor 100 according to a second embodiment
  • Fig. 7 shows a section B-B in Figs. 6, 8
  • Fig. 8 shows a section C-C in Figs. 6, 7.
  • the circuit board 16 does not lie flush along its entire circumference against an inner surface 37 of the body 3.
  • a recess 38 is formed in the circuit board 16.
  • the metallic hood 40 is arranged on an edge 39 of the circuit board 16, which borders on the recess 38, and projects slightly into the recess 38.
  • the metallic hood 40 has a cube or cuboid shape in a section arranged above the circuit board 16 with four vertical walls 41, 42, 43, 44 running perpendicular to the circuit board and one parallel to the circuit board 16 above the ends 35 the first contact pins 20, 21 extending horizontal wall 45.
  • an outer vertical wall 41 is arranged close to the edge 39 of the circuit board 16 above the recess 38.
  • a tab 46 formed continuously with the outer vertical wall 41 runs from a lower end of the vertical wall 41 through the recess 38 of the circuit board 16, past the edge 39 of the circuit board 16 and through the recess 47 in the inwardly projecting projection 15 of the housing 2 downwards towards the membrane pot 7.
  • the tab 46 runs parallel to a plane formed by the first contact pins 20, 21.
  • the tab 46 is only slightly wider than a distance between the first contact pins 20, 21, which in turn run parallel to one another on the membrane pot 7.
  • the tab 46 is in particular not wider than and preferably narrower than the outer wall 41, of which it represents an extension.
  • a vertical section of the first contact pins 20, 21 between the circuit board 16 and the diaphragm cup 7 can also advantageously be shielded against electrical interference field inputs, in particular from the left in Fig. 7 (cf. Fig. 3A and Fig. 3C).
  • an inner vertical wall 42 which is arranged opposite the outer vertical wall 41, also has a spring pin 48.
  • the spring pin 48 is pressed into another via 34 of the circuit board 16 and is held stably in the via 34 by a spring force (restoring force) of the spring pin 48.
  • the via 34 can have a tinned inner surface that is connected to ground. Accordingly, the metallic hood 40 is contacted and grounded with the circuit board 16 via the spring pin 48 of the inner vertical wall 42.
  • Fig. 9 shows a blank 50 according to the second embodiment.
  • the blank 50 is a shape punched out of a copper or brass sheet with a thickness of between 0.2 and 0.4 mm, preferably 0.3 mm.
  • the result is the metallic hood 40 (Fig. 6-8) with the four vertical walls 41-44, the horizontal wall 45, the tab 46, which is continuously connected to the outer vertical wall 41, and the spring pin 48.
  • the spring pin 48 is in particular designed, for example, as an eyelet 51 enclosing an elongated hole 49.
  • the eyelet has, for example, a wall thickness of 0.3 mm, and the elongated hole 49 is, for example, a 1 mm hole.
  • Fig. 10 illustrates a manufacturing method of the ultrasonic sensor 100 according to a third embodiment. Reference is also made to Figs. 4 to 10.
  • step S1 the first contact pins 20, 21 and the second contact pins 22-24 are pressed into the body 3 made of plastic (into the housing 2).
  • step S2 the membrane pot 7, to whose ultrasonic membrane 8 the sound transducer element 25 is attached from the inside, is inserted into an opening 12 of the housing 2.
  • the membrane pot 7 can be placed on an edge 11 of the body 3, as shown in Fig. 7, 8, and the collar ring 4 can be thrown over the membrane pot 7 and the body 3.
  • the collar ring can then be joined to the membrane pot 7 and the body 3, for example by means of ultrasonic welding.
  • step S3 the first contact pins 20, 21 are contacted with the sound transducer element 25.
  • the first contact pins 20, 21 are soldered to the loose fine wires 26, 27 and the loose fine wires 26, 27 are soldered to the sound transducer element 25.
  • step S4 the circuit board 16 on which the driver circuit 19 is mounted is pressed onto the upper ends 35, 36 of the contact pins 20-24 in such a way that the ends 35, 36 pass through the circuit board 16.
  • step S5 the blank 50 shown in Fig. 9 is punched out of a copper or metal sheet and folded along the dash-dot fold lines, thus obtaining the metallic hood 40.
  • step S6 the metallic hood 40 is mounted on the circuit board 16 in such a way that the metallic hood 40 surrounds and shields the upper ends 35 of the first contact pins 20, 21 that pass through the circuit board 16 on all sides.
  • the spring pin 48 in particular is pressed into the through-hole 34 of the circuit board 16, whereby the metallic hood 40 is fixed to the circuit board 16, contacted with it and grounded.
  • the lid 5 can then be placed on the body 3 and joined to it by ultrasonic welding.
  • An ultrasonic sensor 100 can therefore be particularly easy to manufacture, have a vibration-stable construction with vibration-proof mounting of the circuit board 16 and vibration-proof attachment of the metallic hood 40, do not require casting of an interior 14 of the plastic housing 2, be light and unbreakable, and thanks to the parallel first contact pins 20, 21 and at least the The ends 35 of the first contact pins 20, 21 that pass through the circuit board 16 have excellent EMC interference immunity.
  • the union ring 4 is not a necessary feature of the invention, and the membrane pot 7 can also be inserted directly into an opening in the body 3 of the housing 2.
  • the loose fine wires 26, 27 are not necessary.
  • the contact pins 20, 21 can also be contacted with the piezo element 25 in another way, for example directly.
  • three second contact pins 22-24 are shown, but only two or more than three second contact pins 22-24 can be used for external connection.
  • the metallic hood 40 does not necessarily need to have a cube or cuboid shape with five walls, particularly in the first but also in the second exemplary embodiment. For example, it can also be hemispherical.
  • the tab 46 does not need to extend close to the membrane pot 7, as shown in FIG. In order to achieve the desired additional shielding effect of the tab 46, it is sufficient if the tab extends from the underside of the circuit board 16 at least a certain distance in the direction of the membrane pot 7. On the other hand, according to an advantageous development, the tab 46 can also extend all the way to the membrane pot 7 and contact it. In this way, the membrane pot 7 can advantageously be easily grounded via the tab 46 of the metallic hood 40. Only a spring pin 48 attached to the inner wall 42 has been described.
  • a respective spring pin 48 can be formed on one or more of the inner wall 42, the side walls 43, 44 and the outer wall 41 and can be pressed into respective vias 34 of the circuit board 16. If several spring pins 48 are present, the metallic hood 40 can be mounted and fixed on the circuit board 16 even more reliably.

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Abstract

Ein Ultraschallsensor (100) für ein Kraftfahrzeug (1) weist auf: ein Kunststoffgehäuse (2), einen in eine Öffnung (12) des Kunststoffgehäuses (2) eingesetzten Membrantopf (7) mit einer Ultraschallmembran (8), ein an der Ultraschallmembran (8) von innen angebrachtes Schallwandlerelement (25) zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran (8), eine im Innenraum (14) des Kunststoffgehäuses (2) angeordnete Leiterplatte (16), auf der eine Treiberschaltung (19) zum Ansteuern des Schallwandlerelements (25) montiert ist, zwei Kontaktstifte (20, 21) zur elektrischen Kontaktierung der Treiberschaltung (19) mit dem Schallwanderelement (25), wobei die Leiterplatte (16) derart auf die Kontaktstifte (20, 21) aufgepresst ist, dass Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21) durch die Leiter- platte (16) hindurchtreten, und eine metallische Haube (40), die, gemeinsam mit der Leiterplatte (16), die durch die Leiterplatte (16) hindurchtretenden Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21) allseitig umgibt und schirmt.

Description

ULTRASCHALLSENSOR FÜR EIN KRAFTFAHRZEUG, KRAFTFAHRZEUG UND
HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EINEN ULTRASCHALLSENSOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug.
Moderne Kraftfahrzeuge werden mit Ultraschallsensoren ausgestattet, die eine Vermessung einer Umgebung des Kraftfahrzeugs durch Aussenden und Empfangen eines Ultraschallsignals gestatten. Die solchermaßen gewonnenen Informationen über die Fahrzeugumgebung kann von einem Fahrerassistenzsystem ausgewertet werden, um Warnungen für den Fahrer zu generieren, autonomes Einparken oder teil- oder vollautonomes Fahren zu ermöglichen.
Ein Ultraschallsensor weist typischerweise ein Kunststoffgehäuse mit einer Öffnung auf, in die ein Membrantopf eingesetzt ist. Von innen an einer Ultraschallmembran des Membrantops ist ein Schallwandlerelement zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran angeordnet. Im Innenraum des Kunststoffgehäuses ist ferner eine Leiterplatte angeordnet, auf der eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Schallwandlerelements montiert ist. Zur Kontaktierung der Treiberschaltung mit dem Schallwandlerelement werden Kontaktstifte verwendet. Insbesondere unverstärkte Signale auf dem Leitungsweg von dem Schallwandlerelement über die Kontaktstifte bis in die Treiberschaltung sind besonders anfällig für elektromagnetische Störeinflüsse.
Herkömmlicherweise wurde zur Abschirmung gegen elektromagnetische Störeinflüsse auf einer Oberseite (einer von dem Schallwandlerelement abgewandten Seite) der Leiterplatte ein Schirmblech angeordnet, das im Wesentlichen die gesamte Leiterplatte oder zumindest den gesamten Bereich der beispielsweise auf der Unterseite der Leiterplatte montierten Bauelemente der Treiberschaltung überdeckte. Die gesamte Anordnung wurde sodann mit einem Kunstharz vergossen. Es ist jedoch wünschenswert, auf den Verguss zu verzichten, da dieser bis zu 20 g zusätzliches Gewicht verursacht, die Stresseigenschaften des Ultraschallsensors verändert und dadurch ein Risiko für Bauteilbrüche vergrößert. Ohne Verguss ist es nicht möglich, ein dann frei im Innern des Kunststoffgehäuses angeordnetes, großflächiges Schirmblech sicher zu montieren. Das Schirmblech würde unter dem Einfluss des Ultraschalls in Vibrationen versetzt werden und sich lösen. Man verzichtet deswegen auch auf das Schirmblech und verlässt sich auf nachgeschaltete Signalverarbeitung und die Einhaltung von Mindestabständen beim Einbau, um mit elektromagnetischen Störeinflüssen umzugehen.
Bei bestimmten Einbausituationen, etwa im Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs, ist jedoch die EMV-Störfestigkeit noch nicht zufriedenstellend.
Die WO 2017/097496 offenbart, dass eine Membran eines Schallwandlerelements mit einer Masse verbunden sein kann.
Die US 2019/0388936 A1 offenbart einen Membrantopf für einen Ultraschallwandler. Der Membrantopf ist mit einer metallischen Beschichtung versehen. Ein von innen an der Membran angebrachtes Piezoelement ist elektrisch mit der metallischen Beschichtung verbunden. Der Membrantopf implementiert demgemäß eine elektrische Funktionalität, insbesondere eine elektrische Masse zum Verbessern des EMV-Schutzes.
Die US 2006/0229785 A1 offenbart ein Fußgängerschutzsystem, bei dem eine Vielzahl von Keramiksensoren auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Die Trägerfolie weist eine durchgängige Metallisierungsschicht oder metallische Schutzschicht zur EMV-Abschirmung der mehreren Keramiksensoren auf.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die EMV- Störfestigkeit eines Ultraschallsensors zu verbessern. Gemäß einem ersten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe ein Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, der aufweist: ein Kunststoffgehäuse, einen in eine Öffnung des Kunststoffgehäuses eingesetzten Membrantopf mit einer Ultraschallmembran, ein an der Ultraschallmembran von innen angebrachtes Schallwandlerelement zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran, eine im Innenraum des Kunststoffgehäuses angeordnete Leiterplatte, auf der eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Schallwandlerelements montiert ist, zwei Kontaktstifte zur elektrischen Kontaktierung der Treiberschaltung mit dem Schallwanderelement, wobei die Leiterplatte derart auf die Kontaktstifte aufgepresst ist, dass Enden der Kontaktstifte durch die Leiterplatte hindurchtreten, und eine metallische Haube, die, gemeinsam mit der Leiterplatte, die durch die Leiterplatte hindurchtretenden Enden der Kontaktstifte allseitig umgibt und schirmt.
Die Erfinder haben erkannt, dass den durch die Leiterplatte hindurchtretenden Kontaktstiften eine entscheidende Rolle als Antennen für elektrische Störeinflüsse zukommt. Allerdings ist das Aufpressen der Leiterplatte auf die Enden der Kontaktstifte derart, dass diese die Leiterplatte durchdringen, wünschenswert und vorteilhaft, da in diesem Fall ein einfaches Herstellungsverfahren und eine stabilere und hochwertigere Verbindung zwischen den Kontaktstiften und der Leiterplatte erzielt werden können als in einem Fall, in dem die Kontaktstifte nur von einer Seite an die Leiterplatte gelötet werden. Gemäß dem vorgeschlagenen Ultraschallsensor werden nun die durch die Leiterplatte hindurchtretenden Kontaktstifte von der metallischen Haube abgeschirmt. Somit kann vorteilhafterweise ein Feldeintrag eines elektrischen Feldes abgeleitet werden, bevor dieser in die von den im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kontaktstiften gebildeten Kapazität einkoppeln kann. Demgemäß kann die Störfestigkeit des Ultraschallsensors gegen elektrische Felder vorteilhafterweise verbessert werden. Somit ist es dann auch unschädlich, wenn die Kontaktstifte eine hohe Kapazität ausbilden. Daher ist es nun möglich, die Kontaktstifte sehr eng beieinander anzuordnen.
Somit kann eine von den Kontaktstiften gebildete Induktivität vorteilhafterweise gering gehalten werden. Demgemäß kann auch die Störfestigkeit des Ultraschallsensors gegen magnetische Felder vorteilhaft verbessert werden. Insgesamt kann somit vorteilhafterweise die EMV- Störfestigkeit des Ultraschallsensors verbessert werden. Der Membrantopf mit Ultraschallmembran kann einteilig ausgebildet sein. Das heißt, es kann sich bei dem Membrantopf um ein topfförmig ausgebildetes Element handeln. Eine Bodenfläche der Topfform kann hierbei dünner ausgebildet sein als Wände der Topfform. In diesem Fall bildet insbesondere die Bodenfläche die Ultraschallmembran aus.
Die Kontaktstifte können in das Kunststoffgehäuse eingepresst sein und dadurch vibrationssicher in dem Gehäuse angebracht sein. Das Einpressen der Kontaktstifte in das Kunststoffgehäuse kann erfolgen, bevor die Leiterplatte auf die Enden der Kontaktstifte aufgepresst wird.
Die Kontaktstifte können beispielsweise dadurch mit der Treiberschaltung kontaktiert sein, dass die Enden der Kontaktstifte beim Aufpressen der Leiterplatte auf die Enden der Kontaktstifte in eine Durchkontaktierung, auch als Via bekannt, mit einer metallisierten, beispielsweise verzinnten, Innenfläche eingepresst werden. Demgemäß kann eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der Kontaktstifte mit der Treiberschaltung bereitgestellt werden.
Das Schallwandlerelement ist beispielsweise ein Piezoelement. Das Ansteuern des Schallwandlerelements umfasst insbesondere ein Senden eines Ansteuersignals an das Schallwandlerelement und ein anschließendes Empfangen eines Empfangssignals von dem Schallwandlerelement.
Dasjenige Ende eines jeweiligen Kontaktstifts, das durch die Leiterplatte hindurchtritt, kann auch als "oberes Ende" bezeichnet werden. An einem dem oberen Ende gegenüberliegenden unteren Ende können die Kontaktstifte direkt mit dem Schallwandlerelement kontaktiert, beispielsweise verlötet sein. Die Kontaktstifte können auch indirekt mit dem Schallwandlerelement kontaktiert sein. Beispielsweise kann ein loser Feindraht benutzt werden, um ein unteres Ende eines jeweiligen der Kontaktstifte mit dem Schallwandlerelement zu verbinden. Ein Bereich zwischen dem Schallwandlerelement und dem unteren Ende des Kontaktstifts, in dem der lose Feindraht verläuft, kann mit einem Schaum verfüllt sein. Demgemäß kann eine zusätzliche Schallentkopplung erzielt werden.
Unter "gemeinsam mit der Leiterplatte allseitig umgeben" ist insbesondere zu verstehen, dass ein Raum, in dem die oberen Enden der Kontaktstifte angeordnet sind, in jeder Raumrichtung entweder durch eine Fläche der metallischen Haube oder durch eine Fläche der Leiterplatte begrenzt ist.
Die metallische Haube ist insbesondere eine geerdete metallische Haube. Unter "geerdet" ist insbesondere eine mindestens nicht hochohmige Verbindung mit einer Masse zu verstehen. Unter "nicht hochohmig" ist insbesondere ein Widerstand zu Masse von weniger als 1000 Ohm, vorzugsweise weniger als 800 Ohm, besonders vorzugsweise weniger als 600 Ohm zu verstehen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Treiberschaltung ein oder mehrere elektronische Bauelemente, die auf derselben Seite der Leiterplatte wie die metallische Haube außerhalb der metallischen Haube auf der Leiterplatte montiert sind.
Die Bauelemente sind außerhalb der metallischen Haube angeordnet und werden demgemäß nicht von dieser geschirmt. Die metallische Haube schirmt jedoch die Enden der Kontaktstifte, an denen elektrische Störfelder am ehesten einkoppeln. Die metallische Haube ist somit vorteilhaft klein und kann vibrationsfest an der Leiterplatte montiert sein. Somit kann vorteilhafterweise auf Vergießen des Innenraums des Kunststoffgehäuses verzichtet werden.
Die Seite der Leiterplatte, auf welcher die metallische Haube, die durch die Leiterplatte hindurchtretenden Enden der Kontaktstifte und gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch die elektronischen Bauelemente angeordnet sind, kann auch als Oberseite bezeichnet werden. Die andere Seite der Leiterplatte, auf welcher die übrigen Abschnitte der Kontaktstifte angeordnet sind und das Schallwandlerelement kontaktieren, kann auch als Unterseite bezeichnet werden. Bei den elektronischen Bauelementen kann es sich beispielsweise um einen Kondensator, eine Spule, einen Transistor, einen Operationsverstärker, einen Prozessor, einen ASIC und dergleichen handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Innenraum in dem Kunststoffgehäuse mindestens auf derselben Seite der Leiterplatte wie die metallische Haube nicht vergossen.
Der Innenraum kann auf der Oberseite der Leiterplatte, insoweit sie nicht von der metallischen Haube oder den Bauelementen belegt ist, insbesondere ein Freiraum, das heißt ein nicht verfüllter Raum, sein.
Demgemäß kann das Gewicht des Ultraschallsensors reduziert sein, der Ultraschallsensor kann weniger steif sein und Materialbrüche werden vorteilhafterweise weniger wahrscheinlich. Gleichzeitig wird durch die metallische Haube dennoch eine vorzügliche Dämpfung gegen elektrische Felder bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Leiterplatte auf einem Vorsprung des Kunststoffgehäuses aufsitzend gelagert.
Die aufsitzende Lagerung auf dem Vorsprung des Gehäuses bietet vorteilhafterweise Stabilität und Vibrationsfestigkeit.
Der Vorsprung des Kunststoffgehäuses ist insbesondere ein nach innen auskragender Vorsprung sein. Der Vorsprung kann ringförmig bzw. umlaufend ausgebildet sein. Der Vorsprung kann insbesondere in der Nähe des Membrantopfes ausgebildet sein, wo sich ein Hauptabschnitt des Kunststoffgehäuses zu der Öffnung verengt, in die der Membrantopf eingesetzt ist. Eine aufsitzende Lagerung auf einem derartigen Vorsprung kann insbesondere erst dadurch ermöglicht sein, dass vorteilhafterweise die Bauelemente auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sind. Dies wiederum kann insbesondere dadurch ermöglicht sein, dass die metallische Haube eine Schirmung gegen elektrische Störfelder bereitstellt, die mit herkömmlichen Lösungen bei auf der Oberseite angeordneten Bauelementen bisher nicht bereitgestellt werden konnte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die metallische Haube vier senkrecht zu der Leiterplatte verlaufende Wände und eine parallel zu der Leiterplatte und über den Enden der Kontaktstifte verlaufende Wand auf.
Anders ausgedrückt ist die metallische Haube insbesondere eine quaderförmige oder würfelförmige Haube. Eine solche Haube lässt sich vorteilhaft besonders einfach herstellen. Sie lässt sich zudem besonders vorteilhaft an drei Kanten, an denen sie senkrecht auf der Leiterplatte steht, vibrationsfest an der Leiterplatte befestigen und kann eine vorteilhaft hohe Steifigkeit aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine äußere Wand der metallischen Haube bei einem Rand der Leiterplatte angeordnet, und eine durchgängig mit der äußeren Wand ausgebildete Lasche verläuft an dem Rand der Leiterplatte vorbei auf den Membrantopf zu.
Somit kann vorteilhafterweise auch ein Abschnitt der Kontaktstifte auf der Unterseite der Leiterplatte zwischen der Leiterplatte und dem Membrantopf von der Lasche mit abgeschirmt und die Schirmwirkung weiter verbessert werden.
"Bei einem Rand angeordnet" kann insbesondere bedeuten, dass die äußere Wand derart angeordnet ist, dass die von der äußeren Wand auf den Membrantopf zu verlaufende Lasche den Rand der Leiterplatte berührt.
Die Lasche und die äußere Wand können insbesondere einteilig ausgebildet sein. Die metallische Haube kann als Ganzes einteilig ausgebildet sein, wobei die Lasche und die äußere Wand Abschnitte der einteiligen metallischen Haube sind. Die äußere Wand kann eine der senkrecht zu der Leiterplatte verlaufenden Wände sein. Die Lasche verläuft mindestens in eine Richtung auf den Membrantopf zu. Besonders vorzugsweise teilhafterweise verläuft die Lasche bis zu dem Membrantopf oder bis zu einem Niveau des Membrantopfes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verläuft die Lasche parallel zu einer durch die beiden Kontaktstifte gebildeten Ebene und ist so breit wie oder breiter als ein Abstand zwischen den beiden Kontaktstiften.
Somit wird vorteilhafterweise eine von den beiden Kontaktstifte ausgebildete Kapazität in einem Abschnitt der Kontaktstifte, der entlang der Lasche verläuft, durch die Lasche abgeschirmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die metallische Haube mit der Leiterplatte kontaktiert und geerdet.
Demgemäß kann vorteilhafterweise eine Erdung der metallischen Haube über eine Leiterbahn der Leiterplatte bereitgestellt werden. Die Leiterplatte kann neben den zwei Kontaktstiften, die der Kontaktierung des Schallwandlerelements dienen, auf weitere Kontaktstifte aufgepresst sein, die das Innere des Kunststoffgehäuses mit einem Äußeren des Kunststoffgehäuses verbinden. Auf diese Weise kann eine Fahrzeugmasse zur Erdung der metallischen Haube in den Ultraschallsensor und zu der metallischen Haube geführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die metallische Haube mittels eines durchgängig mit einer der Wände der metallischen Haube ausgebildeten Federstifts mit der Leiterplatte kontaktiert, der in eine Durchkontaktierung der Leiterplatte eingepresst ist.
Es ist demgemäß vorteilhafterweise möglich, die metallische Haube beim Zusammenbau des Ultraschallsensors auf besonders einfache Weise in die Durchkontaktierungen der Leiterplatte einzupressen, woraufhin der Federstift aufgrund der Rückstellkraft nach dem Ein- pressen einen stabilen Sitz einnimmt. Somit kann die gesamte Metall hau be vorteilhafterweise auf einfache Weise vibrationsfest und stabil auf der Leiterplatte montiert werden.
Vorzugsweise ist mehr als eine Wand der metallischen Haube mit einem jeweiligen Federstift versehen; besonders vorzugsweise sind mindestens drei der vier senkrecht zu der Leiterplatte verlaufende Wände, die senkrecht auf der Leiterplatte stehen, mit einem jeweiligen Federstift versehen.
Der Federstift kann insbesondere einteilig mit der metallischen Haube ausgebildet sein.
Die Durchkontaktierung kann auch als Kontaktloch oder Via bezeichnet werden. Sie kann isnbesondere eine metallisierte, beispielsweise verzinnte, Innenfläche aufweisen, die auf Masse gelegt ist und mit dem Federstift in Kontakt ist, wenn dieser in die Durchkontaktierung eingepresst ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Federstift als eine ein Langloch umschließende Öse ausgebildet.
Demgemäß kann der Federstift besonders einfach einteilig mit dem Rest der Metallhaube ausgebildet werden, beispielsweise durch Stanzen aus einem metallischen Blech.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die metallische Haube aus Kupfer- oder Messingblech mit einer Blechdicke zwischen 0,2 und 0,4 mm, vorzugsweise 0,3 mm, hergestellt.
Demgemäß werden elektrische Wirbelströme mit einer Frequenz im Arbeitsbereich des Ultraschallsensors optimal und gleichzeitig mit dem mindestnotwendigen Materialaufwand gedämpft. So beträgt beispielsweise eine Eindringtiefe eines elektrischen Wirbelstroms mit einer Frequenz von 50 kHz in Kupfer ca. 0,3 mm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die metallische Haube einteilig aus dem Kupferoder Messingblech gestanzt und gefaltet.
Demgemäß ist ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Membrantopf ein metallischer Membrantopf, der nicht hochohmig mit Masse verbunden ist.
Demgemäß ist der Membrantopf geerdet und kann vorteilhafterweise ebenfalls eine Schirmwirkung gegen elektromagnetische Störfelder entfalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, in der die metallische Haube außerdem die Lasche aufweist, die bis zu dem Membrantopf verläuft, kann somit ein gesamter Strompfad der noch nicht verstärkten Rohsignale des Schallwandlerelements von dem metallischen Element über die Kontaktstifte bis zu der Treiberschaltung durch das Zusammenspiel von metallischem Membrantopf, metallischer Haube und deren Wände und deren Lasche gegen elektrische Störfelder abgeschirmt werden.
Der Membrantopf kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. Alternativ hierzu kann der Membrantopf aus einem nichtmetallischen Material hergestellt sein und mindestens eine metallische Beschichtung aufweisen; auch ein solcher Membrantopf gilt als metallischer Membrantopf im Sinne der vorliegenden Ausführungsform.
Unter "geerdet" ist insbesondere eine mindestens nicht hochohmige Verbindung mit einer Masse zu verstehen. Unter "nicht hochohmig" ist insbesondere ein Widerstand zu Masse von weniger als 1000 Ohm, vorzugsweise weniger als 800 Ohm, besonders vorzugsweise weniger als 600 Ohm zu verstehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit einem Ultraschallsensor gemäß dem ersten Aspekt oder einer der Ausführungsformen des ersten Aspekts vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Automobil oder ein Personenkraftwagen oder auch ein Lastkraftwagen sein.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallsensors angegeben. Das Verfahren umfasst: Einpressen zweier Kontaktstifte in ein Kunststoffgehäuse; Einsetzen eines Membrantopfs mit einer Ultraschallmembran und einem an der Ultraschallmembran von innen angebrachten Schallwandlerelement zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran in eine Öffnung des Kunststoffgehäuses; Kontaktieren der Kontaktstifte mit dem Schallwandlerelement; Aufpressen einer Leiterplatte, auf der eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Schallwandlerelements montiert ist, auf Enden der Kontaktstifte dergestalt, dass die Enden durch die Leiterplatte hindurchtreten; Herstellen einer metallischen Haube durch Ausstanzen eines Rohlings aus einem Kupferoder Metallblech und Falten des Rohlings; und Montieren der metallischen Haube auf die Leiterplatte dergestalt, dass die metallische Haube gemeinsam mit der Leiterplatte die durch die Leiterplatte hindurchtretenden Enden der Kontaktstifte allseitig umgibt und schirmt.
Die für den vorgeschlagenen Ultraschallsensor beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Kraftfahrzeug und das vorgeschlagene Herstellungsverfahren entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 2 zeigt ein Kraftfahrzeug gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 3A-D zeigen mögliche elektrische Störfelder;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt A-A in Fig. 1 eines Ultraschallsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 zeigt einen Schnitt B-B in Fig. 4;
Fig. 6 zeigt einen Schnitt A-A in Fig. 1 eines Ultraschallsensors gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 zeigt einen Schnitt B-B in den Fig. 6, 8;
Fig. 8 zeigt einen Schnitt C-C in den Fig. 6, 7;
Fig. 9 zeigt einen Rohling gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 10 zeigt ein Herstellungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Fig. 1 zeigt einen Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispielen. Der Ultraschallsensor weist ein Gehäuse 2 aus Kunststoff und einen in eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Öffnung des Gehäuses 2 eingesetzten metallischen Membrantopf 7 mit einer Ultraschallmembran 8 auf. Das Gehäuse weist einen Korpus 3, einen Überwurfring 4, einen Deckel 5 und einen Erweiterungsabschnitt 6 auf. Der Überwurfring 4 hält den Membrantopf 7 an dem Korpus 3 des Gehäuses 2. Der Deckel 5 wird nach der Montage der nachstehend näher beschriebenen Komponenten in einem Innenraum des Gehäuses 2 auf den Korpus 3 aufgesetzt. Der Überwurfring 4, der Deckel 2 und der Erweiterungsabschnitt 6 können beispielsweise durch Ultraschallschweißen an den Korpus 3 gefügt sein.
Der Ultraschallsensor 100 ist dazu eingerichtet, durch Ansteuern der Ultraschallmembran 8 Ultraschallsignale auszusenden, wobei eine zentrale Richtung einer ausgestrahlten Ultraschallsignalkeule mit einer Axialrichtung 13 des Membrantopfs 7 zusammenfällt. Hierbei dient die Ultraschallmembran 8 als "Lautsprecher". Der Ultraschallsensor 100 ist ferner dazu eingerichtet, beispielsweise aus einem Umfeld eines Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2) reflektierte Ultraschallsignale zu empfangen. Hierbei dient die Ultraschallmembran 8 als "Mikrofon". Signale zum Ansteuern der Ultraschallmembran 8 sowie von der Ultraschallmembran 8 gelieferte Empfangssignale werden durch (nicht dargestellte) Signalleitungen durch den Erweiterungsabschnitt 6 aus dem Gehäuse 2 des Ultraschallsensors 100 herausgeführt.
Fig. 2 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß Ausführungsbeispielen. Das Kraftfahrzeug 1 weist mehrere der Ultraschallsensoren 100 auf. Ein erster Ultraschallsensor 101 ist in einem Frontstoßfänger 52 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Drei Ultraschallsensoren 102, 103, 104 sind in einem Seitenschweller 9 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Ein Ultraschallsensor 105 ist in einem Heckstoßfänger 10 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet.
In dem Frontstoßfänger 52 des Kraftfahrzeugs 1 ist beispielsweise außerdem in unmittelbarer Nähe des Ultraschallsensors 101 eine Leitung 11 eines Local Instrumentation Network, LIN, angeordnet. LIN ist ein einfacher Standard für datenbasierte Fahrzeugbordnetze und wird beispielsweise für Regensensoren, Wischermotoren, Spritzvorrichtungen und dergleichen verwendet. Die Signale eines LIN sind rechteckig mit einem Hub von 12 V und weisen eine Anstiegsrate von 2 V / ps auf. Ein LIN arbeitet mit einer Frequenz von 19 kHz. Eine harmonische Oberschwingung davon liegt bei dem Dreifachen, d. h. 57 kHz, und damit in einem Bereich, in dem auch der Ultraschallsensor 101 akustische Ultraschallsignale aussendet und empfängt. Innerhalb des Ultraschallsensors 101 werden, wie später anhand von Fig. 4 und Fig. 5 erläutert, von einem Schallwandlerelement 25 (Fig. 5) elektrische Signale erzeugt, die den akustischen Ultraschallsignalen entsprechen. Somit stellen elektrische Felder, die von der Leitung 1 1 des LIN erzeugt, werden, potentielle Störfelder für den Ultraschallsensor 101 dar. Beispielsweise könnte der Ultraschallsensor 101 fälschlich den Empfang eines Ultraschallechos signalisieren, obwohl tatsächlich lediglich ein Störfeld von einem Signal auf der Leitung 1 1 den Ultraschallsensor 101 gestört hat. Man spricht hier von "Geisterechos". Dieses Problem ist im Frontstoßfänger 52 des Kraftfahrzeugs 1 besonders ausgeprägt, da hier ein erforderlicher Mindestabstand zwischen Ultraschallsensor 101 und Leitung 11 aufgrund begrenzter Platzverhältnisse möglicherweise nicht eingehalten werden kann.
In Fig. 3A-D sind mögliche relative räumliche Anordnungen von Ultraschallsensor 101 und Leitung 11 gezeigt. Mit Pfeilen ist der Verlauf von Feldlinien eines elektrischen Störfelds angegeben. Wie in Fig. 3A-D zu sehen, wirkt das elektrische Störfeld vor allem von links und von oben auf den Ultraschallsensor 101 ein.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt A-A in Fig. 1 des Ultraschallsensors 100 bei Ausgestaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und Fig. 5 zeigt einen Schnitt B-B in Fig. 4. Im Weiteren wird auf Fig. 4 und Fig. 5 Bezug genommen. Eine Richtungsangabe "nach unten" und eine Ortsangabe "unten" beziehen sich im Folgenden hierbei auf eine Richtung entlang der Axialrichtung 13 nach unten in Fig. 5 bzw. in die Blattebene hinein in Fig. 4. Eine Richtungsangabe "nach oben" und eine Ortsangabe "oben" beziehen sich im Folgenden auf eine Richtung entgegen der Axialrichtung 13 nach oben in Fig. 5 bzw. aus der Blattebene heraus in Fig. 4.
Wie in Fig. 5 zu sehen, ist der Membrantopf 7 auf eine Kante 11 des nach unten offenen Korpus 3 aufgesetzt. Der Überwurfring 4 ist auf den Membrantopf 7 und den Korpus 3 aufgesetzt. Demgemäß ist der Membrantopf 7 in eine Öffnung 12 des durch Korpus 3 und Überwurfring 4 gebildeten Gehäuses 2 eingesetzt.
In einem Innenraum 14 des Gehäuses 2 ist eine Leiterplatte 16 angeordnet. Auf der Leiterplatte 16 sind elektronische Bauelemente 17, 18 einer T reiberschaltung 19 angeordnet. Die Treiberschaltung 19 kann weiterhin nicht gezeigte Leiterbahnen umfassen, die auf oder in der Leiterplatte 16 verlaufen.
In dem Korpus 3 des Gehäuses 2 sind mehrere erste Kontaktstifte 20, 21 verpresst. Ferner sind in dem Korpus 3 und dem Erweiterungsabschnitt 5 des Gehäuses 6 mehrere zweite Kontaktstifte 22, 23, 24 verpresst. Die ersten Kontaktstifte 20, 21 dienen der Kontaktierung der Treiberschaltung 19 mit einem an einer Innenseite der Ultraschallmembran 8 angeordneten Piezoelement 25. Untere Enden der ersten Kontaktstifte 19, 20 sind indirekt über jeweilige lose, nicht unter Spannung stehende, Feindrähte 26 mit dem Piezoelement 25 kontaktiert. Ein unterer Bereich 28 des Innenraums 14 im Bereich der losen Drähte 26 kann mit einem Schaum verfüllt sein. So wird eine vorteilhafte Schwingungsentkopplung zwischen der Ultraschallmembran 8 mit dem Piezoelement 25 einerseits und dem Gehäuse 3 und der Leiterplatte 16 andererseits erzielt.
Die zweiten Kontaktstifte 22, 23, 24 dienen der Kontaktierung der Treiberschaltung 19 mit (nicht gezeigten) Leitungen, die durch den Erweiterungsabschnitt 6 aus dem Ultraschallsensor 100 herausführen und beispielsweise mit einem (nicht gezeigten) Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2) verbindbar sind.
Die Leiterplatte 16 weist mehrere Durchkontaktierungen 29-33 auf. Die Leiterplatte ist auf obere Enden 35, 36 der Kontaktstifte 20-24 aufgepresst, so dass die oberen Enden 35, 36 der Kontaktstifte 20-24 durch die Durchkontaktierungen 29-33 der Leiterplatte 16 hindurchtreten. Auf diese Weise sind die Kontaktstifte 20-24 mit der Treiberschaltung 19 kontaktiert. Gleichzeitig ergibt sich somit ein fester Sitz der Leiterplatte 16 auf den Kontaktstiften 20-24.
Zudem ist die Leiterplatte 16 besonders vorzugsweise auf einem umlaufenden und nach innen auskragenden Vorsprung 15 des Gehäuses 2 aufsitzend gelagert. Eine Auflagerung auf dem weit unten angeordneten Vorsprung 15 wird dadurch ermöglicht, dass die Bauelemente 17, 18 der Treiberschaltung 19 auf der Oberseite der Leiterplatte 16, also auf der gleichen Seite wie die durch die Leiterplatte 16 hindurchtretenden oberen Enden 35, 36 der Kontaktstifte 20-24 angeordnet sind. Somit ist die Leiterplatte 16 vorteilhafterweise stabil und fest, insbesondere vibrationsfest, in dem Gehäuse 2 verpresst und gelagert.
Im Betrieb wird die Treiberschaltung 19 über die Kontaktstifte 22, 23, 24 und die nicht gezeigten Leitungen von dem nicht gezeigten Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2) ange- steuert. Die Treiberschaltung generiert ein geeignetes elektrischen Ansteuersignal für das Piezoelement 25 und überträgt dieses über die Kontaktstifte 20, 21 und die losen Feindrähte 26 an das Piezoelement 25. In Reaktion auf das Ansteuersignal regt das Piezoelement 25 die Ultraschallmembran 8 des Membrantopfs 7 zu Schwingungen an, wodurch ein akustisches Ultraschallsignal in der Axialrichtung 13 ausgesendet wird. Wenn dieses Ultraschallsignal in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2) zurück zu der Ultraschallmembran 8 reflektiert wird, wird diese zu Schwingungen angeregt. Das Piezoelement 25 erfasst die Schwingungen der Ultraschallmembran 8 und sendet ein elektrisches Empfangssignal, welches für das empfangene Ultraschallsignal indikativ ist, über die losen Feindrähte 26 und die Kontaktstifte 20, 21 an die Treiberschaltung 19. Die Treiberschaltung 19 verstärkt das Empfangssignal und sendet es über die Kontaktstifte 22, 23, 24 und die nicht gezeigten Leitungen an das nicht gezeigte Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2). Das nicht gezeigte Steuergerät kann anhand einer Laufzeitdifferenz zwischen Aussenden des Ultraschallsignals und Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals beispielsweise einen Abstand zu einem Hindernis in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 (Fig. 2) bestimmen.
Hierbei ist zu beachten, dass über die Kontaktstifte 20, 21 und die Feindrähte 26, 27 ein nicht verstärktes und daher sehr schwaches elektrisches Empfangssignal von dem Piezoelement 25 zu der Treiberschaltung 19 übertragen wird. Dieses Empfangssignal ist besonders anfällig für elektrische und magnetische Störfelder.
Der Abstand zwischen den Kontaktstiften 20 und 21 ist daher, wie in Fig. 4 gezeigt, eng gewählt. Der Abstand zwischen den beiden Kontaktstiften 20, 21 beträgt beispielsweise nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise nicht mehr als 3 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 mm. Auf diese Weise ist eine Induktivität einer von den Kontaktstiften 20, 21 , der Leiterplatte 16 und dem Piezoelement 25 gebildeten Spule, über die ein magnetisches Störfeld einkoppeln könnte, gering.
Des Weiteren ist der Membrantopf 7 aus einem Metall ausgebildet oder mit einer metallischen Beschichtung versehen und schirmt daher die losen Feindrähte 26 gegenüber elektri- sehen Störfeldern ab. Besonders vorzugsweise ist der Membrantopf 7 auch direkt oder zumindest nicht hochohmig, beispielsweise mit einem Widerstand von 600 Ohm bis 800 Ohm, jedenfalls mit einem Widerstand von kleiner als 1000 Ohm, auf Masse gelegt, um diese Schirmwirkung bestmöglich entfalten zu können. Hierzu kann beispielsweise eine nicht dargestellte, in dem Korpus 3 verlaufende Leitung verwendet werden, die den Membrantopf 2 mit einem der zweiten Kontaktstifte 22-24 verbindet.
Auch die ersten Kontaktstifte 20, 21 werden in ihrem Verlauf einerseits von dem Membrantopf 7 und andererseits von der Leiterplatte 16 vergleichsweise gut geschirmt.
Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass elektrische Störfelder in den Signalweg vom Pie- zoelement 25 bis zu der Treiberschaltung 19 insbesondere an den durch die Leiterplatte 16 hindurchgetretenen und nach oben vorstehenden oberen Enden 35 der ersten Kontaktstifte 20, 21 einkoppeln.
Daher ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf der Leiterplatte 16 eine metallische Haube 40 derart angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Leiterplatte 16 die oberen Enden 35 der ersten Kontaktstifte 20, 21 allseitig umgibt und schirmt.
Experimente haben gezeigt, dass demgemäß ein Störeinfluss der in Fig. 3A-3D gezeigten elektrischen Felder signifikant reduziert werden. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei den in Fig. 3B und Fig. 3D gezeigten Konfigurationen, in denen das elektrische Störfeld von oben auf den Ultraschallsensor 100, 101 einwirkt.
Die metallische Haube 40 umgibt und schirmt jedoch weder die oberen Enden 36 der zweiten Kontaktstifte 22-24 noch die Bauelemente 17, 18 der Treiberschaltung 19. Auch der größere Teil der nicht dargestellten Leiterbahnen auf der Leiterplatte 16 wird nicht von der metallischen Haube 40 bedeckt. Demgemäß kann die metallische Haube 40 vorteilhaft mit einer geringen Größe und einem geringen Gewicht ausgebildet werden. Die metallische Haube 40 lässt sich damit mit einfachen Mitteln, vergleichbar wie auch andere Bauelemente 17, 18, vibrationsfest auf der Leiterplatte 16 montieren und trägt kaum zu einem Gewichtsanstieg des Ultraschallsensors 100 dabei. Insbesondere ist bei einer derart kleinen metallischen Haube 40 besonders vorteilhafterweise kein Vergießen des Innenraums 14 des Ultraschallsensors 100 erforderlich, um Vibrationsfestigkeit zu erreichen.
Die metallische Haube 40 kann insbesondere aus einem Kupfer- oder Messingblech hergestellt sein. Die Blechdicke ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass eine Eindringtiefe eines zu erwartenden elektrischen Störfelds im Wesentlichen ganz in dem Blech aufgenommen wird, das Blech jedoch nicht unnötig dick wird. Im Falle des anhand von Fig. 2 diskutierten LIN als Störquelle ist eine Blechdicke von 0,3 mm ausreichend. Vorzugsweise beträgt die Blechdicke wenigstens 0,2 und höchstens 0,4 mm.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt A-A in Fig. 1 eines Ultraschallsensors 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 7 zeigt einen Schnitt B-B in den Fig. 6, 8, und Fig. 8 zeigt einen Schnitt C-C in den Fig. 6, 7. Im Weiteren wird auf die Fig. 6 bis 8 Bezug genommen. Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels, die den Merkmalen des ersten Ausführungsbeispiels gleichen, werden nicht erneut detailliert beschreiben. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel wie folgt:
Die Leiterplatte 16 liegt nicht entlang ihres gesamten Umfangs bündig an einer Innenfläche 37 des Korpus 3 an. In einem Abschnitt links in Fig. 6, 7, der dem Erweiterungsabschnitt 6 des Gehäuses 2 gegenüberliegend angeordnet ist, ist eine Aussparung 38 in der Leiterplatte 16 ausgebildet. Die metallische Haube 40 ist an einem Rand 39 der Leiterplatte 16, der an die Aussparung 38 angrenzt, angeordnet und steht geringfügig in die Aussparung 38 vor.
Der ringförmige auskragende Vorsprung 15 des Korpus 3 des Gehäuses 2, auf dem die Leiterplatte 16 aufsitzend gelagert ist, weist in einem Bereich der Aussparung 38 der Leiterplatte 16 ebenfalls eine Aussparung 47 auf. Die metallische Haube 40 weist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einem oberhalb der Leiterplatte 16 angeordneten Abschnitt eine Würfel- oder Quaderform mit vier senkrecht zu der Leiterplatte verlaufenden, vertikalen Wänden 41 , 42, 43, 44 und einer parallel zu der Leiterplatte 16 über den Enden 35 der ersten Kontaktstifte 20, 21 verlaufenden, horizontalen Wand 45 auf. Hierbei ist eine äußere vertikale Wand 41 nahe bei dem Rand 39 der Leiterplatte 16 über der Aussparung 38 angeordnet. Wie insbes. in Fig. 7 zu sehen, verläuft eine durchgängig mit der äußeren vertikalen Wand 41 ausgebildete Lasche 46 von einem unteren Ende der vertikalen Wand 41 durch die Aussparung 38 der Leiterplatte 16 an dem Rand 39 der Leiterplatte 16 vorbei und durch die Aussparung 47 in dem nach innen auskragenden Vorsprung 15 des Gehäuses 2 nach unten auf den Membrantopf 7 zu. Die Lasche 46 verläuft, wie in Fig. 7, 8 zu sehen ist, parallel zu einer von den ersten Kontaktstiften 20, 21 gebildeten Ebene. Die Lasche 46 ist, wie in Fig. 8 zu sehen ist, nur wenig breiter als ein Abstand zwischen den ihrerseits parallel zueinander auf den Membrantopf 7 zu verlaufenden ersten Kontaktstiften 20, 21 . Die Lasche 46 ist insbesondere nicht breiter als und vorzugsweise schmaler als die äußere Wand 41 , deren Verlängerung sie darstellt.
Mit der auf den Membrantopf 7 zu verlaufenden Lasche 46 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann vorteilhafterweise auch ein vertikaler Abschnitt der ersten Kontaktstifte 20, 21 zwischen der Leiterplatte 16 und dem Membrantopf 7 gegen elektrische Störfeldeinträge insbesondere von links in Fig. 7 (vgl. Fig. 3A und Fig. 3C) abgeschirmt werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, weist eine innere vertikale Wand 42, die gegenüber der äußeren vertikalen Wand 41 angeordnet ist, zudem einen Federstift 48 auf. Der Federstift 48 ist in eine weitere Durchkontaktierung 34 der Leiterplatte 16 eingepresst und wird von einer Federkraft (Rückstellkraft) des Federstifts 48 stabil in der Durchkontaktierung 34 gehalten. Die Durchkontaktierung 34 kann eine verzinnte Innenoberfläche aufweisen, die auf Masse gelegt ist. Demgemäß ist die metallische Haube 40 über den Federstift 48 der inneren vertikalen Wand 42 mit der Leiterplatte 16 kontaktiert und geerdet. Fig. 9 zeigt einen Rohling 50 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Rohling 50 ist eine aus einem Kupfer- oder Messingblech mit einer Dicke zwischen 0,2 und 0,4 mm, vorzugsweise von 0,3 mm, ausgestanzte Form. Wenn der Rohling 49 entlang der gestrich- punktpunkteten Faltlinien beispielsweise nach hinten in der Blattebene gefaltet wird, ergibt sich die metallische Haube 40 (Fig. 6-8) mit den vier vertikalen Wänden 41 -44, der horizontalen Wand 45, der Lasche 46, die sich durchgängig an die äußere vertikale Wand 41 anschließt, und dem Federstift 48.
Der Federstift 48 ist insbesondere beispielsweise als eine ein Langloch 49 umschließende Öse 51 ausgebildet. Die Öse weist beispielsweise eine Wandstärke von 0,3 mm auf, und das Langloch 49 ist beispielsweise eine 1 -mm-Bohrung. Wenn der Federstift 48 in die Durchkontaktierung 34 (Fig. 7) eingepresst wird, wird das Langloch 49 komprimiert und übt eine Rückstellkraft aus, die in der Durchkontaktierung 34 (Fig. 7) senkrecht zu einer Innenoberfläche der Durchkontaktierung 34 (Fig. 7) nach außen wirkt und die metallische Haube 40 (Fig. 7) an der Leiterplatte 16 (Fig. 7) fixiert.
Fig. 10 veranschaulicht ein Herstellungsverfahren des Ultraschallsensors 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Es wird auch auf die Fig. 4 bis Fig. 10 Bezug genommen.
In Schritt S1 werden die ersten Kontaktstifte 20, 21 und die zweiten Kontaktstifte 22-24 in den aus Kunststoff hergestellten Korpus 3 (in das Gehäuse 2) eingepresst.
In Schritt S2 wird der Membrantopf 7, an dessen Ultraschallmembran 8 von innen das Schallwandlerelement 25 angebracht ist, in eine Öffnung 12 des Gehäuses 2 eingesetzt. Beispielsweise kann der Membrantopf 7, wie in Fig. 7, 8 gezeigt, auf eine Kante 1 1 des Korpus 3 aufgesetzt und der Überwurfring 4 über den Membrantopf 7 und den Korpus 3 geworfen werden. Der Überwurfring kann sodann beispielsweise mittels Ultraschallschweißens an den Membrantopf 7 und den Korpus 3 gefügt werden. In Schritt S3 werden die ersten Kontaktstifte 20, 21 mit dem Schallwandlerelement 25 kontaktiert. Hierzu werden beispielsweise die ersten Kontaktstifte 20, 21 mit den losen Feindrähten 26, 27 und die losen Feindrähte 26, 27 mit dem Schallwandlerelement 25 verlötet.
In Schritt S4 wird die Leiterplatte 16, auf der die Treiberschaltung 19 montiert ist, dergestalt auf die oberen Enden 35, 36 der Kontaktstifte 20-24 gepresst, dass die Enden 35, 36 durch die Leiterplatte 16 hindurchtreten.
In Schritt S5 wird der in Fig. 9 gezeigte Rohling 50 aus einem Kupfer- oder Metallblech ausgestanzt und entlang der gestrichpunktpunkteten Faltlinien gefaltet, und so die metallische Haube 40 erhalten.
In Schritt S6 wird die metallische Haube 40 dergestalt auf die Leiterplatte 16 montiert, dass die metallische Haube 40 die durch die Leiterplatte 16 hindurchtretenden oberen Enden 35 der ersten Kontaktstifte 20, 21 allseitig umgibt und schirmt. Zum Montieren wird beispielsweise insbesondere der Federstift 48 in die Durchkontaktierung 34 der Leiterplatte 16 eingepresst, wodurch die metallische Haube 40 an der Leiterplatte 16 fixiert, mit dieser kontaktiert und geerdet wird.
Anschließend kann der Deckel 5 auf den Korpus 3 aufgesetzt und durch Ultraschallschweißen an diesen gefügt werden.
So wird ein Ultraschallsensor 100 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel erhalten.
Ein Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispielen kann somit insbesondere einfach herzustellen sein, eine vibrationsstabile Konstruktion mit vibrationsfester Lagerung der Leiterplatte 16 und vibrationsfester Anbringung der metallischen Haube 40 aufweisen, keinen Verguss eines Innenraums 14 des Kunststoffgehäuses 2 benötigen, leicht und bruchsicher sein, und dank der parallel verlaufenden ersten Kontaktstifte 20, 21 und der mindestens die durch die Leiterplatte 16 hindurchtretenden Enden 35 der ersten Kontaktstifte 20, 21 schirmenden metallischen Haube 40 eine hervorragende EMV-Störfestigkeit aufweisen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Merkmale, die für unterschiedliche Ausführungsbeispiele offenbart wurden, können auf jede geeignete Weise miteinander kombiniert werden, sofern dadurch keine Widersprüche erzeugt werden.
Der Überwurfring 4 ist kein notwendiges Merkmal der Erfindung, und der Membrantopf 7 kann auch direkt in eine Öffnung des Korpus 3 des Gehäuses 2 eingesetzt sein.
Die losen Feindrähte 26, 27 sind nicht notwendig. Die Kontaktstifte 20, 21 können auch auf andere Weise, beispielsweise direkt, mit dem Piezoelement 25 kontaktiert sein.
In den Figuren sind drei zweite Kontaktstifte 22-24 gezeigt, es können jedoch auch nur zwei oder mehr als drei zweite Kontaktstifte 22-24 zur externen Verbindung benutzt werden.
Die metallische Haube 40 braucht, insbesondere bei dem ersten, jedoch auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, nicht notwendigerweise eine Würfel- oder Quaderform mit fünf Wänden aufzuweisen. Sie kann beispielsweise auch halbkugelförmig ausgebildet sein.
Die Lasche 46 braucht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht, wie in Fig. 7 gezeigt, bis nahe bei dem Membrantopf 7 zu verlaufen. Zur Erzielung des gewünschten zusätzlichen Schirmeffekts der Lasche 46 reicht es aus, wenn die Lasche von der Unterseite der Leiterplatte 16 mindestens ein Stück weit in Richtung des Membrantopfes 7 verläuft. Andererseits kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die Lasche 46 auch ganz bis zu dem Membrantopf 7 verlaufen und diesen kontaktieren. Auf diese Weise kann der Membrantopf 7 vorteilhafterweise einfach über die Lasche 46 der metallischen Haube 40 geerdet werden. Es wurde lediglich ein an der inneren Wand 42 angebrachter Federstift 48 beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass ein jeweiliger Federstift 48 an einer oder mehreren von der inneren Wand 42, den seitlichen Wänden 43, 44 und der äußeren Wand 41 ausgebildet sein und in jeweilige Durchkontaktierungen 34 der Leiterplatte 16 eingepresst werden kann. Sind mehrere Federstifte 48 vorhanden, kann die metallische Haube 40 noch zuverlässiger auf der Leiterplatte 16 montiert und fixiert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Kraftfahrzeug
2 Gehäuse
3 Korpus
4 Überwurfring
5 Deckel
6 Erweiterungsabschnitt
7 Membrantopf
8 Ultraschallmembran
9 Seitenschweller
10 Heckstoßfänger
11 Kante
12 Öffnung im Gehäuse
13 Axialrichtung
14 Innenraum
15 Vorsprung des Gehäuses
16 Leiterplatte
17, 18 Bauelement
19 Treiberschaltung
20, 21 Kontaktstift, erster Kontaktstift
22-24 Kontaktstift, zweiter Kontaktstift
25 Piezoelement, Schallwandlerelement
26, 27 loser Feindraht
28 unterer Bereich
29-34 Durchkontaktierung
35, 36 obere Enden
37 Korpus-Innenfläche
38 Aussparung der Leiterplatte
39 Rand der Leiterplatte 40 metallische Haube
41 äußere vertikale Wand
42 innere vertikale Wand
43, 44 seitliche vertikale Wand 45 horizontale Wand
46 Lasche
47 Aussparung des auskragenden Vorsprungs
48 Federstift
49 Langloch 50 gestanztes Metallblech, Rohling
51 Öse
52 Frontstoßfänger
100-105 Ultraschallsensor
S1 -S6 Verfahrensschritte

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Ultraschallsensor (100) für ein Kraftfahrzeug (1 ), aufweisend: ein Kunststoffgehäuse (2), einen in eine Öffnung (12) des Kunststoffgehäuses (2) eingesetzten Membrantopf (7) mit einer Ultraschallmembran (8), ein an der Ultraschallmembran (8) von innen angebrachtes Schallwandlerelement (25) zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran (8), eine im Innenraum (14) des Kunststoffgehäuses (2) angeordnete Leiterplatte (16), auf der eine Treiberschaltung (19) zum Ansteuern des Schallwandlerelements (25) montiert ist, zwei Kontaktstifte (20, 21) zur elektrischen Kontaktierung der Treiberschaltung (19) mit dem Schallwanderelement (25), wobei die Leiterplatte (16) derart auf die Kontaktstifte (20, 21) aufgepresst ist, dass Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21) durch die Leiterplatte (16) hindurchtreten, und eine metallische Haube (40), die, gemeinsam mit der Leiterplatte (16), die durch die Leiterplatte (16) hindurchtretenden Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21 ) allseitig umgibt und schirmt.
2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die T reiberschal- tung (19) ein oder mehrere elektronische Bauelemente (17, 18) umfasst, die auf derselben Seite der Leiterplatte (16) wie die metallische Haube (40) außerhalb der metallischen Haube (40) auf der Leiterplatte (16) montiert sind.
3. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (14) in dem Kunststoffgehäuse (2) mindestens auf derselben Seite der Leiterplatte (16) wie die metallische Haube (40) nicht vergossen ist.
4. Ultraschallsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (16) auf einem Vorsprung (15) des Kunststoffgehäuses (2) aufsitzend gelagert ist.
5. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haube (40) vier senkrecht zu der Leiterplatte (16) verlaufende Wände (41 -44) und eine parallel zu der Leiterplatte (16) und über den Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21 ) verlaufende Wand (45) aufweist.
6. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Wand (41 ) der metallischen Haube (40) bei einem Rand (39) der Leiterplatte (16) angeordnet ist und eine durchgängig mit der äußeren Wand (41 ) ausgebildete Lasche (46) an dem Rand (39) der Leiterplatte (16) vorbei auf den Membrantopf (7) zu verläuft.
7. Ultraschallsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasche (46) parallel zu einer durch die beiden Kontaktstifte (20, 21 ) gebildeten Ebene verläuft und so breit wie oder breiter als ein Abstand zwischen den beiden Kontaktstiften (20, 21 ) ist.
8. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haube (40) mit der Leiterplatte (16) kontaktiert und geerdet ist.
9. Ultraschallsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haube (40) mittels eines durchgängig mit einer der Wände (42) der metallischen Haube (40) ausgebildeten Federstifts (48) mit der Leiterplatte kontaktiert ist, der in eine Durchkontaktierung (34) der Leiterplatte (16) eingepresst ist.
10. Ultraschallsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Federstift (48) als eine ein Langloch (49) umschließende Öse (51 ) ausgebildet ist.
11 . Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haube (40) aus Kupfer- oder Messingblech mit einer Blechdicke zwischen 0,2 und 0,4 mm, vorzugsweise 0,3 mm, hergestellt ist.
12. Ultraschallsensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallische
Haube (40) einteilig aus dem Kupfer- oder Messingblech gestanzt und gefaltet ist.
13. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membrantopf (7) ein metallischer Membrantopf (7) ist, der nicht hochohmig mit Masse verbunden ist.
14. Kraftfahrzeug (1 ) mit einem Ultraschallsensor (100, 101 -105) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallsensors (100), aufweisend:
Einpressen (S1 ) zweier Kontaktstifte (20, 21 ) in ein Kunststoffgehäuse (2);
Einsetzen (S2) eines Membrantopfs (7) mit einer Ultraschallmembran (8) und einem an der Ultraschallmembran (8) von innen angebrachten Schallwandlerelement (25) zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran (8) in eine Öffnung (12) des Kunststoffgehäuses (2);
Kontaktieren (S3) der Kontaktstifte (20, 21 ) mit dem Schallwandlerelement (25);
Aufpressen (S4) einer Leiterplatte (16), auf der eine Treiberschaltung (19) zum Ansteuern des Schallwandlerelements (25) montiert ist, auf Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21 ) dergestalt, dass die Enden (35) durch die Leiterplatte (16) hindurchtreten;
Herstellen (S5) einer metallischen Haube (40) durch Ausstanzen eines Rohlings (50) aus einem Kupfer- oder Metallblech und Falten des Rohlings (50);
Montieren (S6) der metallischen Haube (40) auf die Leiterplatte (16) dergestalt, dass die metallische Haube (40) gemeinsam mit der Leiterplatte (16) die durch die Leiterplatte (16) hindurchtretenden Enden (35) der Kontaktstifte (20, 21 ) allseitig umgibt und schirmt.
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