WO2020245064A2 - Ultraschall-wandler und verfahren zur herstellung eines ultraschall-wandlers - Google Patents

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WO2020245064A2
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Amira HEDHILI
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    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer and a method for producing an ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducers are regularly used to measure distances in a wide variety of areas.
  • an ultrasonic signal is sent as a burst from the ultrasonic transducer when measuring the distance, which, after hitting an object or another obstacle, is partially reflected back again.
  • this reflected pulse is detected, whereby a transit time can be determined. Since the ultrasonic waves propagate in air but also in water with known speeds of sound, the distance to the reflected object can be calculated with the aid of the transit time.
  • sonar A distance measurement in a predominantly horizontal direction, for example to other ships, is referred to as sonar
  • a distance measurement in a predominantly vertical direction for example to measure the water depth or the seabed topography, as an echo sounder.
  • Newer cars use ultrasound distance measurement, for example in parking assistance systems, which give the driver a warning signal when the distance to a nearby object is short.
  • the ultrasonic transducers are usually housed in the bumpers, which offer a relatively large amount of space for the installation of an ultrasonic transducer including a housing and the required electronics.
  • New technological developments and applications, such as drones, robotic vacuum cleaners, robotic lawn mowers, and autonomous robots in general represent new ones
  • the object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that is more compact and robust.
  • An ultrasonic transducer which has a
  • a piezoelectric disc is arranged inside the container on the floor, which also serves as a membrane.
  • the ultrasonic transducer has a lid that closes the container.
  • Electronics are integrated in the cover, which make electrical contact with the piezoelectric disk and are designed to control and read out the piezoelectric disk.
  • Robots such as drones, robotic vacuum cleaners, robotic lawn mowers or robots that are used, for example, in logistics or in industrial production, offer little space for individual components, which is why there is a strong need for smaller, more compact sensors, especially for
  • Ultrasonic transducers of the present invention contrary to conventional ultrasonic transducers, in which the sound-emitting container is built into the sensor housing, are made much more compact. In addition, production costs can be saved, since additional electrical and mechanical interfaces are not required and the assembly of the ultrasonic transducer and housing can be dispensed with.
  • the piezoelectric disc In transmission mode, the piezoelectric disc can be excited to a pulse-like oscillation with a frequency of about 50 kHz to 100 kHz and a predetermined number of periods via an alternating voltage applied by the electronics. For example, it can be 8 periods. Since the piezoelectric disc can be fixed to the floor, the floor can vibrate as a membrane and can emit an ultrasonic cone. If the ultrasonic cone hits an object or another obstacle, it can partially be reflected back again. The reflected
  • Sound impulse can in turn hit the floor or membrane and can induce a mechanical deflection with the same frequency as the emitted sound impulse both in the floor and in the piezoelectric disc.
  • the mechanical Deflection of the piezoelectric disc can cause a voltage change on the applied electrodes, which in turn can be read by the electronics.
  • the distance to the reflecting object can be calculated from the determined transit time of the ultrasonic pulse and the known speed of sound.
  • a damping element that fills the entire container can be arranged between the base on which the piezoelectric disc is arranged and the cover.
  • the damping element can primarily be used to dampen the
  • Ultrasonic vibrations from the piezoelectric disc are used in the direction of the lid, but can also stabilize the container additionally. The most important
  • the material property for the damping element is
  • Attenuation constant which should be as large as possible at typical ultrasonic frequencies between 50 kHz and 100 kHz.
  • Suitable materials are rubbers or foams.
  • foams made of plastics, such as silicone, which have gas inclusions, are suitable for the damping element. These can be poured into the
  • Container are given where the silicone hardens and fills the container with a positive fit.
  • an elastic ring which can also be made of silicone, between the damping element and the cover can help prevent possible transmission of
  • the elastic ring can serve to seal between the lid and the container, so that no moisture or dust can get into the container.
  • the lid can be closed with a resealable
  • Fixing mechanism to be fixed in the container. It is thus possible to reach the underside of the cover at any time, for example to check or repair electrical components or contacts. If the lid is just opposite the cross-section of the container
  • the fastening mechanism can expressly be a snap-in mechanism that can releasably fix the cover in at least one position.
  • the container has an opening which faces away from the bottom.
  • the cover can be arranged in this opening in such a way that the cover does not end flush with an edge of the opening.
  • the lid can be arranged in a step in the wall of the container and the step can so
  • the lid can be dimensioned so that the lid is not flush with the edge of the opening. Accordingly, the lid can be spaced from the opening.
  • the lid can be set back from the opening by a spacer.
  • the spacer can be, for example, a
  • the space between the lid and the edge of the opening can be sealed with a potting compound, such as a lacquer. If the container is still made of a conductive material or has a conductive material, the container acts as a Faraday cage, with which the electronics in the lid are also protected from electromagnetic radiation that could adversely affect the electronics and thus lead to incorrect measurement results. Furthermore, the cover can have at least two recesses
  • the container can also be closed by a recess, i.e. when the container is closed by the lid, it can be filled with a liquid filler material. In this way, a form-fitting connection can be formed between the filling material and the cover and air pockets between them
  • a second recess promotes constant pressure equalization in the container during the filling process. This means that bubbles that otherwise occur during the filling process due to
  • Air inclusions can easily arise, avoided and a homogeneous form-fitting filler is formed in the
  • a passage for a wire can be formed in at least one of the recesses, wherein the piezoelectric disc can be electrically connected to the electronics through the wire.
  • the wire can mechanically through the passage
  • the filling material can be filled into the container in such a way that it covers the passage and the contact between wire and electronics and protects the electrical connection from external influences even after it has hardened.
  • the container can have a step along the opening in a wall. This step serves as a support surface for the lid, so that the lid can simply be placed in the container without the risk of the lid slipping into the container
  • Container can be arranged. To the lid tight and To connect to the container in a damped manner, it can be advantageous to arrange a silicone or foam layer between the lid and the container.
  • the electronics can have a digital I / O interface on an outside of the cover.
  • a digital I / O interface on an outside of the cover.
  • the digital I / O interface can also implement the electrical supply of the ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer can be kept compact.
  • the ultrasonic transducer can be contacted immediately and does not need any further electrical connections.
  • the digital I / O interface is particularly suitable for communication, for example to transmit measurement signals or warning signals to the outside world, as, in contrast to analog interfaces, it has a higher level of interference immunity and therefore functions without errors even in an environment loaded with interference signals.
  • the electronics can have pins on the outside of the lid. This can be, for example, three straight electrical conductors which, starting from the lid, protrude from the container in the opposite direction to the bottom.
  • the pins can be designed to simultaneously serve as an electronic connection and for mechanical fastening of the ultrasonic transducer.
  • An installation of the ultrasonic transducer can be simplified as the
  • Ultrasonic transducers can be locked in place through the pins using a plug-in system, without further ado
  • the pins can only be used to support other types of fastening.
  • the bottom can be thinner than 1 mm.
  • the floor which also serves as a membrane, must on the one hand be elastic enough to follow the deflection movements of the piezoelectric disc, and on the other hand it should be stable enough to withstand external influences, such as water jets for cleaning.
  • a thickness from the floor of less than 1 mm and more than 0.2 mm have proven advantageous.
  • the thickness of the bottom, together with the diameter can also essentially determine the resonance frequency at which the component can advantageously be operated for emitting and receiving ultrasound.
  • the thickness of the walls can be more than 1.5 times the thickness of the floor and is preferably thicker than 3 times the thickness of the floor. It has been shown that such wall thicknesses are suitable for the transmission of vibrations of the floor or the membrane to a surface that runs parallel to the floor, such as the lid or a protrusion of the container that can be used to hold the ultrasonic transducer , to suppress. Vibrations transmitted through the bracket to an adjacent attachment that are used to
  • the wall thickness is chosen so that it is at least 1.5 times the thickness of the membrane, the transmission of vibrations from the floor to other parts of the container can be prevented.
  • the soil has certain natural modes that vibrate with a natural frequency and are determined, among other things, by the strength of the soil. Since the wall can have at least 1.5 times the thickness of the base, transmission of the vibration modes to other areas of the container can be prevented.
  • the wall thickness should not be more than 20 times, preferably not more than 10 times, the thickness of the floor, since otherwise the component can become too heavy and a small version of the component is more difficult to implement.
  • the container can be designed to give preference to a plane in the direction of sound propagation. By narrowing the propagating sound cone, the accuracy of the distance measurement can be increased, since the propagation of the sound wave in one spatial direction can be excluded.
  • the container is designed to be oval for this purpose. Other forms of the container can also be used
  • the container can consist of an electrically conductive material.
  • a container made of an electrically conductive material made of an electrically conductive material.
  • the grounding of the container can be implemented via the optional digital I / O connection. Especially in smaller mobiles
  • the container is made of an electrically conductive material
  • Suitable materials can be metals such as Al, Cu, Sn, Fe,
  • Container also acts as a membrane, it is advantageous to use a material that has a relatively high flexibility. Therefore, metals are low
  • Young's modulus such as Al or Sn is particularly preferred.
  • the inner surface of the container can be partially roughened and / or smoothed. Roughening the surface inside the container means that materials adhere better to this surface, but also the
  • the remainder of the area of the bottom inside the container can, for example, be smoothed to ensure the adhesion of a
  • the container can also be roughened, which means that the sound is more strongly scattered on this surface.
  • a sandblasting or etching process can be used for roughening and a for smoothing
  • the container can be anodized or anodized.
  • Anodizing protects the container from corrosion and makes it more resistant to environmental influences.
  • An inner surface of the container can be anodized or anodized and an outer surface untreated, or an inner surface of the container and an outer surface of the Container be anodized or anodized. It is also possible to anodize or anodize an outer surface of the container and leave an inner surface untreated. Anodizing an inner surface of the
  • the container can be used to store
  • Anodizing is particularly advantageous on an outer surface of the container because the outer surface is exposed to the environment and the anodizing protects the container from corrosion. In order to protect the container as best as possible, the anodizing is on both the inner
  • An inner surface of the container can be a
  • Anodizing layer can have an opening.
  • an anodized inner surface of the container can be punctured at one point in a targeted manner in order to pass through the electrically non-conductive
  • Anodizing layer makes electrical contact with the
  • an inner surface of the container can have a conductive layer. If the container is made of a material that is not conductive, the conductive layer a Faraday cage is formed, which protects the electronic components arranged inside the container from external influences and thus contributes to the measurement stability and the measurement accuracy. If an inner surface of the container is also anodized, anodized or provided with another protective layer, a conductive layer on the inner surface opens up the possibility of grounding via the conductive layer for the built-in
  • a part of the bottom can have a thicker thickness than the bottom surface adjoining the piezoelectric disc, which is used as a membrane.
  • a surface of the container which runs parallel to the floor and does not overlap with the floor can have a thicker wall thickness than the floor surface adjacent to the piezoelectric disc.
  • the reinforced surfaces serve to stabilize the container and to act as support surfaces.
  • the reinforced areas can have an adhesive material on an outer surface.
  • the ultrasonic transducer only needs to be positioned at the intended location so that the adhesive material adheres to the attachment. It is desirable that the adhesive material consist of a
  • Foam-like soft material with gas inclusions that dampens vibrations from the ultrasonic transducer to the attachment.
  • Sound-absorbing components dampen the ultrasound and vibrations in relation to an undesirable
  • the sound-absorbing components are preferably made of a foam-like material. Execution as an electrically conductive material is desirable in order not to reduce the electromagnetic compatibility of the ultrasonic transducer but, on the contrary, to increase it.
  • the cover is a printed circuit board.
  • the electronics can be easily integrated into the cover and all required electrical components can easily be electrically contacted.
  • the conductor tracks can be modulated, the arrangement of electrical components on the conductor track can be changed, so that the electrical components can be arranged in a space-saving or geometrically advantageous manner.
  • a circuit board If a circuit board is used as a cover, it can be flexible. Thus, ultrasound generated by the
  • the circuit board can be electrical on the outside
  • the circuit board which is used as a cover, can be cast in a plastic compound.
  • the plastic mass is flexible even after hardening
  • the plastic mass fills existing cracks or holes in the circuit board and gaps between the circuit board and the container. Accordingly, the container is sealed airtight and the spread of the
  • Lid can be realized which has no point of contact with the walls of the container. This suppresses the transmission of vibrations between the cover and the walls.
  • a silicone or a soft resin can be used as the plastic mass.
  • the circuit board can have electrical components which are arranged on a surface of the circuit board that faces the piezoelectric disc.
  • the electrical components are thus protected against possible damage due to mechanical or chemical environmental influences as well as against external electromagnetic interference signals.
  • the circuit board can have an integrated circuit with a charge pump.
  • the piezoelectric disc usually requires a higher voltage for operation than the frequently specified supply voltage of 5 to 12 V. In this case, it is necessary to convert the low supply voltage to a higher-quality operating voltage for the piezoelectric
  • transformers Since transformers have a large structural shape, it is advantageous to generate the higher operating voltage for the piezoelectric disk from a low supply voltage with the aid of a charge pump, which is contained in an integrated circuit.
  • the circuit board can have an analog ground line and a digital ground line, the analog
  • Ground line and the digital ground line can be designed so that an electromagnetic interaction between the digital ground line and the analog
  • Ground line can be suppressed. In this way, it can be avoided that fast oscillations, which can form, for example, on the digital ground line due to the fast switching times of the integrated circuit, spread parasitically on the analog ground line and interfere with the distance measurement. Charge pumps in particular tend to generate a low offset voltage on the ground line. By designing the digital and analog ground lines so that they do not influence each other, the distance measurement is disturbed
  • the analog ground line and the digital ground line can be arranged on opposite sides of the integrated circuit. Thus there is already a spatial distance between the digital and the analog ground line
  • the ultrasonic transducer can have a temperature sensor.
  • the speed of sound in media is always temperature-dependent, which means that the distance measurement of the
  • Ultrasonic transducer depends on the ambient temperature.
  • Air temperature is in ° C.
  • Air temperature this correction term can be applied to the measured distance in order to enable a correct distance measurement.
  • the integration of a temperature sensor in the ultrasonic transducer can help to achieve correct distance measurement within a wide temperature range.
  • the temperature sensor can for example have an NTC sensor or a PTC sensor. These show a high
  • NTC and PTC sensors can easily be integrated into electrical circuits, making them extremely suitable for use in the
  • the temperature sensor inside the container is protected from external hazards.
  • a direct arrangement on an inner surface of the container leads to ensure that the temperature sensor has a good thermal
  • Container also has excellent thermal conductivity.
  • the first container also has excellent thermal conductivity.
  • the wall thickness is particularly small and therefore there is particularly good thermal contact between the temperature sensor and the environment. Also, from the one in the lid
  • Temperature sensor has the greatest possible distance from the lid, because it is placed on the floor, is more accurate
  • the piezoelectric disc can be used as a temperature sensor.
  • the piezoelectric disc consists of a piezoelectric material that is arranged between two electrodes and thus one
  • the ultrasonic transducer can be designed to compensate for a temperature dependency of measured distances based on the temperature dependency of the speed of sound on the basis of measured values from the temperature sensor. By correcting the measured distances using a term that depends on the ambient temperature, the
  • Ultrasonic transducers in a wide temperature range which can range from -40 to 85 ° C, for example
  • the ultrasonic transducer of the present invention may be incorporated into an assembly that includes a mount for an associated application, the
  • Attachment can be arranged. Such an arrangement does not require an additional housing for the ultrasonic transducer, so that space is saved and the ultrasonic transducer can also be used in a crowded environment. This enables the use of the ultrasonic transducer in
  • a device can include an ultrasonic transducer according to the
  • the device can be configured to measure a distance of the device to an object on the basis of a signal determined by the ultrasonic transducer.
  • the device can, for example, be autonomous robots, such as self-propelled robots in the
  • Robot vacuum cleaners, robotic lawn mowers or autonomous flying objects act like drones.
  • the ultrasonic transducer can also be used in devices such as cars and charging stations
  • Electromobility or laptops as well as control devices with monitors can be used as an interface to the operator.
  • Another aspect relates to a method for manufacturing an ultrasonic transducer. This can be the ultrasonic transducer described above, for example.
  • the method of manufacturing an ultrasonic transducer has the following steps:
  • the electronics making electrical contact with the piezoelectric disc and being configured to control and read out the piezoelectric disc.
  • the cover can in particular be a circuit board.
  • Silicone ring are arranged on a bearing surface of the container facing away from the bottom and cured, the lid being arranged on the first silicone ring in the step of closing the container.
  • a foam layer can be used as an alternative to the first silicone ring.
  • a second silicone ring can be arranged on the side of the lid that faces away from the bottom, the lid being fixed between the first and second silicone rings.
  • the electronics can be electrically contacted with the piezoelectric disc via a wire that is connected to the
  • the electronics is soldered.
  • the electronics can preferably be connected to the piezoelectric disc via two wires
  • the cover can have at least one recess in which the wire is arranged, wherein in the step of
  • the cover can have a recess for each wire.
  • a liquid filling material can be filled into a cavity between the cover and the base, the liquid filling material being hardened to form a damping element.
  • the lid can have a further recess through which the liquid filling material is filled. In this case, enough liquid filler material can be filled in that it emerges from the recesses in which the wires are arranged. The emerging filling material covers and protects the contact point of the respective wire with the cover after it has hardened.
  • the container in particular on the outer surface of the base facing away from the lid, can be treated appropriately, for example coated, anodized or painted.
  • the lid can be coated with a protective layer or encapsulated with a film or another lid.
  • Figure 1 shows an exploded view of an ultrasonic transducer.
  • Figure 2 shows a plan view of an underside of a lid.
  • Figure 3 shows a cross-section of an assembled
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of a
  • Container in which a temperature sensor is arranged.
  • Figure 5 shows an exploded view of another
  • Embodiment of an ultrasonic transducer Embodiment of an ultrasonic transducer.
  • Figure 6 shows a cross section of another
  • Embodiment of an assembled ultrasonic transducer Embodiment of an assembled ultrasonic transducer.
  • Figure 7 shows a perspective view of a
  • FIG. 1 An exploded view of an ultrasonic transducer 1 according to the present invention is shown in FIG. One
  • Container 2 which has an opening, a bottom 3 and
  • Has circular walls is composed of two cylindrical parts, a lower and an upper one.
  • the lower part has a smaller radius than the upper part and is closed on a lower round base with the bottom 3, which also serves as a membrane.
  • the lower part is open at the top.
  • the entire container 2 is in one piece and the upper part is thus connected to the lower part via a connecting surface that runs parallel to the bottom 3,
  • the upper part is also open at the top.
  • a piezoelectric disk 5 is fixed to the base 3 with an adhesive layer 13 or an adhesive disk.
  • wires 14 is the
  • piezoelectric disc 5 connected to electronics 7. This is arranged on one side of a cover 6 which points inward.
  • the cover 6 itself is a printed circuit board 12 and has a digital I / O interface 9 on one side that faces outwards.
  • the digital I / O interface 9 not only realizes external communication, but also
  • Interface 9 on cover 6 enables a compact design of the ultrasonic transducer 1 and a simple one
  • a digital I / O interface 9 has a high tolerance with regard to it
  • Interference signals for example from nearby
  • Electric motors can originate.
  • the ⁇ Electric motors can originate.
  • the ⁇ Electric motors can originate.
  • the ⁇ Electric motors can originate.
  • the ⁇ Electric motors can originate.
  • Interface can also be implemented with an FFC connector. This provides a debug interface via its eight contacts, which offers a variety of read-out options, which can be particularly advantageous for developers and for more complex applications. As a particularly simple alternative, a 2- or 3-wire interface can be used as an interface. These are opposite to the previously mentioned Alternative interfaces are the cheapest. Simple pin headers with two to eight pins are also possible as an interface for the ultrasonic transducer 1.
  • the cover 6 is a circuit board 12 on a
  • the lid 6 is preferably shaped in such a way that it does not touch the walls of the container 2.
  • the conductor tracks on the circuit board 12 can be adapted in order to save the electrical components in a space-saving or geometrically advantageous manner with regard to the shape of the container 2
  • the electrical components By arranging the electronics 7 on the inside of the lid 6, the electrical components, if the container 2 is made of an electrically conductive material, are protected from external electromagnetic interference signals
  • the uneven surface produced by the electrical components promotes a scattering of ultrasound, which propagates from the piezoelectric disc 5 to the cover 6, and thus in the wrong direction.
  • the advantage of arranging the electronics 7 on the inside of the electronics 7 is that the electronics 7 are protected from mechanical or chemical damage that can result from environmental influences.
  • circuit board 12 Since the circuit board 12 is flexible and / or is cast in a plastic compound, ultrasound, which propagates from the piezoelectric disc 5 to the cover 6, be attenuated and thus a further spread of
  • a flexible printed circuit board 12 as a cover 6 can be carried out more easily than rigid covers 6.
  • the plastic mass is used to fill up possible cracks and holes in the circuit board 12 and a possible gap between the cover 6 and the container 2.
  • the container 2 can be sealed and the propagation of the ultrasonic waves can be suppressed even better.
  • a cover 6 is used that is smaller than the container 2, a tight seal can nevertheless be implemented with the plastic compound, which even reduces the transmission of vibrations between the cover 6 and the wall 4.
  • a silicone or a soft resin can be used as the plastic mass.
  • the lid 6 can be closed with a resealable
  • the fastening mechanism in the container 2 be fixed.
  • the fastening mechanism can, for example, be a snap-in mechanism which detachably fixes the cover 6 in one position. As a result, the cover 6 can be opened and the electrical components or contacts of the electronics 7 on the inside of the cover 6 can be examined.
  • the cross section of the lid 6 corresponds to the inner cross section of the container 2, it is advantageous to position an elastic ring 22, which can be made of silicone, for example, under the lid 6. In this way, a little free space can be allowed when opening the lid 6, which facilitates opening.
  • the protective layer can, for example, be a lacquer or a potting compound.
  • the cover 6 has three recesses 15 on the edge, two of the three recesses 15 being on opposite sides of the cover 6.
  • the opposite recess 15 allow the cover 6 to be handled more easily when it is inserted into the container 2.
  • the recesses 15 in the cover 6, which can also have an electrical connection between the outside and the inside, allow a
  • the cover 6 can by means of the recesses 15 for a
  • Soldering process is realized, still be moved somewhat in order to produce some leeway for the contacting of the cover 6 by means of wire 14.
  • the wires 14 would have to be threaded through small holes in the cover, which would make the assembly of the ultrasonic transducer more difficult.
  • the support surface and adjacent side surfaces of the cover are covered with a damping material, for example silicone, and this is cured if necessary. Then the lid 6 is placed in the container 2 and an electrical
  • Damping material such as silicone, glued around the outer periphery of the lid 6, which fixes the lid 6 in place.
  • the following can be a liquid
  • Damping material are filled into the container.
  • the container 2 can also be filled with a liquid filling material in the closed state through a recess 15. This ensures that a form-fitting connection can be formed between the damping element 8 and the cover 6 and the electronics 7, since
  • a passage 16 for a wire 14 can be formed in two of the three recesses 15.
  • Piezoelectric disc 5 with electronics 7 in cover 6 be electrically connected.
  • the electrical connection between the wire 14 and the electronics 7 is stabilized by the passage 16.
  • a liquid filling material can be filled into the container 2 in such a way that the liquid filling material covers the recesses 15 and thus also the passage 16 and the contact between the wire 14 and the electronics 7. Due to the coating of liquid filling material that dries afterwards, the
  • the cover 6 can be provided with a protective layer on the outside
  • Closure are sealed to protect the ultrasonic transducer 1 and the electronics 7 from the environment.
  • an integrated circuit 17 is arranged in the middle.
  • the integrated circuit 17 has a charge pump with which the piezoelectric disk 5 required
  • Circuit 17 can form parasitic spread to an analog ground line 18 and thus the
  • the digital ground line 19 is arranged at the lower right corner of the integrated circuit 17 and forms a ground surface there, whereas the analog ground line 18 is merely a short conductor track at the upper left corner of the integrated circuit
  • Circuit 17 is formed. Thus it is a spatial one
  • the damping element 8 which is arranged between the cover 6 and the base 3 and fills the entire container 2, primarily serves to dampen the ultrasound and the vibrations that originate from the piezoelectric disk 5. Therefore, the most important property of the damping element 8 is the damping constant, especially for typical
  • Silicone which have gas inclusions, as a material for
  • Damping element 8 suitable. These can be positioned as a solid in the container 2 or poured as a liquid into the container 2, where the liquid mass, such as two-component silicone, hardens and that Container 2 fills form-fitting. In addition to damping the ultrasonic waves, the damping element 8 also stabilizes the container 2 mechanically, so that the container 2 can withstand greater external pressure.
  • An adhesive material 10 is arranged on an outer surface of the connecting surface between the upper and lower parts of the container 2.
  • the adhesive material 10 is preferably made of a foam-like, soft one
  • the use of the adhesive material 10 simplifies the installation of the ultrasonic transducer 1, since the ultrasonic transducer 1 only needs to be placed at a target position so that the adhesive material 10 adheres to a fastening.
  • a foam-like material reduces the transmission of vibrations from the
  • Ultrasonic transducer 1 to the attachment. It can be a double tape, one
  • Adhesive tape be attached, with a second adhesive side of the adhesive tape still until the final assembly of the
  • Ultrasonic transducer 1 in an application with a
  • a vibration damping component 11 is arranged along an outer surface of the wall 5 of the lower part of the container 2.
  • the vibration-damping component 11 damps the ultrasound and vibrations with respect to an undesired direction of propagation perpendicular to the ground 3. Die
  • the vibration-damping component 11 is preferably made of a foam-like material, which is preferably also electrically conductive, in order to increase the electromagnetic compatibility of the ultrasonic transducer 1.
  • a non-conductive material such as silicone.
  • Ultrasonic transducer 1 shown.
  • the wall 5 of the lower part of the container 2 is provided with a vibration damping
  • Component 11 is clad from the outside and the connecting surface between the lower and upper part of the container 2 is provided with adhesive material 10 from the outside.
  • adhesive material 10 On the bottom 3 inside the container 2 is a piezoelectric
  • Disc 5 is arranged, which is electrically contacted by the damping element 8, which fills the entire container 2, with the electronics 7 via wires 14.
  • the connecting surface between the upper and lower part of the container 2 is thicker than the rest of the container 2.
  • These reinforced connecting surfaces are designed to be used as bearing surfaces on a fastening, a frame or a structure in an application.
  • the bottom 3, which is also used as a membrane, is thinner than 1 mm.
  • the base 3 must be elastic enough so as not to severely impede the deflection movements of the piezoelectric disc 5.
  • the base 3 must have a certain stability so that it is not damaged in the event of an external force, such as irradiation with water for cleaning. An advantageous compromise was found with a thickness of the bottom 3 of less than 1 mm and more than 0.2 mm.
  • the walls are at least 1.5 times as thick as the floor 3, but should be after
  • Such a thick wall is suitable for transmitting vibrations from the base 3 or the membrane to the
  • connection surface can be a support surface of the ultrasonic transducer 1 for fastening, it should be precisely on these connection surfaces
  • vibrations and deflections are avoided. Otherwise, vibrations can be transmitted to an adjacent attachment belonging to the application. The transferred
  • Vibrations can in turn be reflected and therefore erroneously recorded in the ultrasonic transducer 1 as a phantom signal as a measurement signal.
  • a wall thickness that is at least 1.5 times the thickness of the membrane reduces the transmission of vibrations from the base 3 to other parts of the container 2 and thus prevents the problem.
  • the container 2 has a step along the opening in the wall 4. This step is called
  • the lid 6 can be connected to the container 2 in a fixed and vibration-damped manner by adding a silicone or foam layer between the lid 6 and the container 2 as a composite material
  • Another layer of silicone or foam can be placed on and in the edge between the embedded lid 6 and the container 2 in order to make the ultrasonic transducer 1 even more water-resistant.
  • Container 2 which can be produced in an extrusion process.
  • an aluminum slug is pressed between an inner punch and an outer die to form the container 2.
  • To the container 2 easily from the stamping tool To solve it, it is advantageous to avoid sharp edges and corners and instead introduce roundings at angles.
  • FIG. 4 also shows a temperature sensor 20 which is arranged on an inner surface of the container 2, on the base 3. Since the speed of sound in a medium is temperature-dependent, a distance measurement of the ultrasonic transducer 1 based on the transit time of a
  • Air temperature is in ° C. In order to enable a correct distance measurement of the ultrasonic transducer 1, this
  • the arrangement of the temperature sensor 20 in the interior of the container 2 protects the temperature sensor from external hazards. Due to the direct contact with the container 2, the temperature sensor 20 has a good thermal
  • a container 2 made of metal can be particularly advantageous in combination with a temperature sensor 20, since metal has excellent thermal conductivity.
  • Temperature measurement in the vicinity of the cover 6 can be falsified.
  • An arrangement of the temperature sensor 20 on the base 3 of the container 2 is therefore particularly useful, since the wall thickness of the container 2 on the base 3 is particularly small and the greatest possible distance is brought between the electronics 7 and the temperature sensor 20. Consequently precise temperature measurement is made possible because the
  • Temperature sensor 20 on the floor has good thermal contact with the environment and the heat measurement is not by a
  • An NTC sensor or a PTC sensor, for example, can be used as the temperature sensor 20. Both types of sensors have high measurement accuracy and robustness with low energy consumption at the same time. Both types of
  • Temperature sensors 20 can easily be in electrical
  • Circuits are integrated, and are therefore for the
  • the piezoelectric Suitable for use in the ultrasonic transducer 1.
  • the piezoelectric Suitable for use in the ultrasonic transducer 1.
  • Disk 5 can be used as temperature sensor 20. Since the piezoelectric disc 5 consists of a piezoelectric
  • the container 2 consists of an electrical one
  • the container 2 can also be optimized in that the inner surface is partially roughened and / or smoothed. Roughening a surface causes materials to adhere more strongly to it. However, ultrasound is also scattered more strongly on a rough, uneven surface. Smoothing the surface reduces adhesion to the surface, but it scatters less ultrasound. Therefore, it is beneficial to the surface of the bottom 3 adjacent to
  • the inner surface of the container 2 can also be roughened in order to scatter the ultrasound more strongly on this surface. Suitable methods for roughening are For example, a sandblasting or etching process as well as grinding or coating processes to smooth the surface
  • the area can be adapted to a possible application, since the color or the surface material can be designed to match the surroundings so that the ultrasonic transducer 1 does not stand out. It is also
  • the outer surface of the container 2 is particularly exposed to environmental influences such as salt spray in road traffic.
  • Anodizing the outer surface will protect the container 2 from corrosion.
  • Anodizing of the inner surface of the container 2 can also be desirable in relation to the container 2
  • the container 2 can be anodized both on the outer surface and on the inner surface.
  • a disadvantage of anodizing the inner surface of the container 2 is that the container 2 is no longer
  • the anodized inner surface of the container 2 can have targeted perforations in the anodization at at least one point. In other words, there can be targeted breakthroughs
  • electrically non-conductive anodizing layer of the inner surface may be provided. These openings can enable electrically conductive contact to be made with the container 2. For example, the container 2 via the at least one opening with an additional
  • the container 2 can be in the
  • a combination of these can create an electrical connection between built-in electronic components, such as the
  • piezoelectric disc 5, the temperature sensor 20 or the electronics 7, are carried out with a reference potential as well as the electromagnetic compatibility of the ultrasonic transducer 1 or the electromagnetic shielding of the
  • Electronics 7 in the container 2 can be achieved similarly or equally well as in the case of a non-internal
  • Embodiment of the ultrasonic transducer 1 similar to the exploded view shown in Figure 1, shown.
  • the cover 6 is arranged between two silicone rings 22 in this embodiment.
  • the silicone rings 22 are primarily used for mechanical decoupling of the Lid 6 from the container 6, but also as a seal in order not to let a potting compound penetrate into the interior of the container 6.
  • the damping element 8 On a surface facing the cover 6, the damping element 8 has recesses into which the electronics 7, which protrude from the cover 6,
  • three pins 21 are provided as the electrical connection for the ultrasonic transducer.
  • Figure 6 shows a cross section of the embodiment of the ultrasonic transducer 1 shown in Figure 5, wherein the
  • the shape of the container 2 corresponds to the shape of the container 2 from FIG. 4.
  • the lid 6 is spaced apart from the opening of the
  • Container 2 and thus arranged in container 2. In this way, the electronics 7 in the cover 6 are protected from mechanical and electromagnetic stress.
  • a potting compound can be added to the container 2, which fixes the cover 6 in a vibration-damping manner in the cover 6 and offers protection. Due to the silicone ring 22 between the cover 6 and the damping element 8, the potting compound has no direct contact with the damping element 8.
  • FIG. 7 shows a perspective view of the embodiment of the ultrasonic transducer 1 shown in FIGS. 5 and 6.
  • the three pins 21 are rigidly connected to one another by a connecting piece 23.
  • the pins 21 are each bent at one end that rests on the cover 6 and arranged so that they have a stable stand as a tripod.
  • Each of the three pins 21 stands on an electrically conductive contact surface 24, which can be viewed as part of the electronics 7 in the cover 6.
  • the three pins 21 can each as Connection for the supply voltage, as a connection to a reference potential or as I / O connection 9. Since the cover 6 is spaced apart from the opening of the container 2, a casting compound applied to the cover 6 can be used to fix the pins 21 on the cover 6.
  • the three pins 21 are designed so that they can be used simultaneously as an electronic connection and for mechanical fastening of the ultrasonic transducer.

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Abstract

Es wird ein Ultraschall-Wandler (1) beschrieben, der ein Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und eine Wand (4) aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe (5) ist innerhalb des Behältnisses (2) auf dem Boden (3), der auch als Membran dient, angeordnet. Außerdem weist der Ultraschall-Wandler (1) einen Deckel (6) auf, der das Behältnis (2) verschließt. In den Deckel (6) ist eine Elektronik (7) integriert, die die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.

Description

Beschreibung
Ultraschall-Wandler und Verfahren zur Herstellung eines
Ultraschall-Wandlers
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler und ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers.
Ultraschall-Wandler werden regelmäßig zur Distanzmessung in unterschiedlichsten Sachbereichen benutzt. Im Sendebetrieb wird bei der Distanzmessung ein Ultraschallsignal als Burst vom Ultraschall-Wandler ausgesandt, der, nachdem er auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis trifft, teilweise wieder zurück reflektiert wird. Im Empfangsbetrieb wird dieser zurückreflektierte Puls detektiert, wodurch eine Laufzeit ermittelt werden kann. Da die Ultraschallwellen sich in Luft aber auch in Wasser mit bekannten Schallgeschwindigkeiten ausbreiten, kann mit Hilfe der Laufzeit die Distanz zu dem reflektieren Objekt berechnet werden.
Diese Technik ist in der Schifffahrt beispielsweise seit Langem als Sonar oder Echolot bekannt. Als Sonar wird eine Distanzmessung in vorwiegend horizontaler Richtung, also beispielsweise zu anderen Schiffen, und als Echolot eine Distanzmessung in vorwiegend vertikaler Richtung, etwa zur Messung der Wassertiefe oder der Meeresgrund-Topografie, genannt. Neuere Autos setzten die Distanzmessung mittels Ultraschall beispielsweise bei Einpark-Assistenzsystemen ein, die dem Fahrer bei einem geringen Abstand zu einem nahen Objekt ein Warnsignal mitteilen. Die Ultraschall-Wandler sind meist in den Stoßstangen untergebracht, die relativ viel Raum für den Einbau eines Ultraschall-Wandlers samt einem Gehäuse und der benötigten Elektronik bieten. Neue technologische Entwicklungen und Anwendungen, wie beispielsweise Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter und autonome Roboter im Allgemeinen stellen neue
Herausforderungen an einen Ultraschall-Wandler, der zur
Distanzmessung geeignet ist.
Ein Ultraschall-Wandler, der kompakter und robuster ist, ist daher wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschall- Wandler bereitzustellen, der kompakter und robuster ist.
Die vorliegende Aufgabe wird durch den Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen .
Es wird ein Ultraschall-Wandler beschrieben, der ein
Behältnis mit einer Öffnung, einem Boden und Wänden aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe ist innerhalb des Behältnisses auf dem Boden, der auch als Membran dient, angeordnet.
Außerdem weist der Ultraschall-Wandler einen Deckel auf, der das Behältnis verschließt. In den Deckel ist eine Elektronik integriert, die die piezoelektrische Scheibe elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe zu steuern und auszulesen.
Die Integration der Elektronik im Deckel macht den
Ultraschall-Wandler äußerst kompakt, so dass er in
Anwendungen, die wenig Raum für den Ultraschall-Wandler bieten, eingesetzt werden kann. Immer kleiner werdende
Roboter, wie Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder Roboter die beispielsweise in der Logistik oder in der industriellen Fertigung eingesetzt werden, bieten wenig Raum für einzelne Bauteile, weswegen es einen starken Bedarf nach kleineren kompakteren Sensoren und insbesondere für
Ultraschall-Wandler gibt. Mit der Integration der Elektronik im Deckel ist es, im Gegensatz zu üblichen Ultraschall- Wandlern, nicht nötig, den Ultraschall-Wandler in ein
externes Gehäuse zu bauen, in dem die Elektronik verbaut ist. Indem die Funktion eines schallgebenden Behältnisses mit der Funktion eines Sensor-Gehäuses vereint wird, kann der
Ultraschall-Wandler der vorliegenden Erfindung konträr zu üblichen Ultraschall-Wandlern, bei denen das schallgebende Behältnis in das Sensor-Gehäuse eingebaut wird, sehr viel kompakter ausgeführt werden. Darüber hinaus können so Kosten bei der Produktion eingespart werden, da nicht zusätzliche elektrische und mechanische Schnittstellen benötigt werden und auf den Zusammenbau von Ultraschall-Wandler und Gehäuse verzichtet werden kann.
Im Sendebetrieb kann die piezoelektrische Scheibe, über eine von der Elektronik angelegten Wechselspannung, zu einer impulsartigen Schwingung mit einer Frequenz von etwa 50 kHz bis 100 kHz und einer vorbestimmten Anzahl von Perioden angeregt werden. Es kann sich beispielsweise um 8 Perioden handeln. Da die piezoelektrische Scheibe am Boden fixiert sein kann, kann der Boden als Membran mit schwingen und kann einen Ultraschallkegel aussenden. Trifft der Ultraschallkegel auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis, kann er teilweise wieder zurück reflektiert werden. Der reflektierte
Schallimpuls kann wiederum auf den Boden bzw. Membran treffen und kann sowohl im Boden als auch in der piezoelektrischen Scheibe eine mechanische Auslenkung mit der gleichen Frequenz wie der ausgesandte Schallimpuls induzieren. Die mechanische Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe kann eine Spannungsänderung an den angelegten Elektroden hervorrufen, die wiederum von der Elektronik ausgelesen werden kann. Aus der ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann die Distanz zu dem reflektierenden Objekt berechnet werden.
Zwischen dem Boden, auf dem die piezoelektrische Scheibe angeordnet ist, und dem Deckel kann ein Dämpfungselement angeordnet sein, das das gesamte Behältnis ausfüllt. Das Dämpfungselement kann in erster Linie zur Dämpfung der
Ultraschallschwingungen von der piezoelektrischen Scheibe aus in Richtung des Deckels dienen, kann das Behältnis jedoch auch noch zusätzlich stabilisieren. Die wichtigste
Materialeigenschaft für das Dämpfungselement ist die
Dämpfungskonstante, die bei typischen Ultraschallfrequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz möglichst groß sein sollte.
Geeignete Materialien sind Gummis oder Schaumstoffe.
Insbesondere Schaumstoffe aus Kunstoffen, wie etwa Silikon, die Gaseinschlüsse aufweisen sind für das Dämpfungselement geeignet. Diese können beispielsweise flüssig in das
Behältnis gegeben werden, wo das Silikon aushärtet und das Behältnis formschlüssig ausfüllt.
Die Anordnung eines elastischen Ringes, der ebenfalls aus Silikon sein kann, zwischen dem Dämpfungselement und dem Deckel kann dabei helfen, eine mögliche Übertragung von
Vibrationen vom Behältnis an den Deckel zu verhindern.
Überdies kann der elastische Ring zur Abdichtung zwischen dem Deckel und dem Behältnis dienen, so dass keine Feuchtigkeit oder Staub in das Behältnis gelangen kann. Der Deckel kann mit einem wiederverschließbaren
Befestigungsmechanismus im Behältnis fixiert sein. Somit ist es möglich, jederzeit an die Unterseite des Deckels zu gelangen, um beispielsweise elektrische Komponenten oder Kontaktierungen zu prüfen oder zu reparieren. Ist der Deckel knapp gegenüber dem Querschnitt des Behältnisses
ausgestaltet, kann es vorteilhaft sein, einen elastischen Ring unter dem Deckel zu positionieren, um beim Öffnen des Deckels ein wenig Freiraum zu gewinnen. Beim
Befestigungsmechanismus kann es sich ausdrücklich um einen Einschnapp-Mechanismus handeln, der den Deckel an zumindest einer Position lösbar fixieren kann.
Das Behältnis weist eine Öffnung auf, die von dem Boden wegweist. Der Deckel kann derart in dieser Öffnung angeordnet sein, dass der Deckel nicht bündig mit einem Rand der Öffnung abschließt. Der Deckel kann in einer Stufe in der Wand des Behältnisses angeordnet sein und die Stufe kann so
dimensioniert sein, dass der aufliegende Deckel nicht bündig mit dem Rand der Öffnung abschließt. Demnach kann der Deckel beabstandet von der Öffnung sein. Der Deckel kann von der Öffnung durch einen Abstandshalter zurückversetzt sein. Bei dem Abstandshalter kann es sich beispielsweise um einen
Silikonring handeln. Somit wird die Elektronik, die im Deckel integriert ist, vor Stößen und anderen mechanischen
Beanspruchungen geschützt. Der Raum zwischen dem Deckel und dem Rand der Öffnung kann mit einer Vergussmasse, wie etwa einem Lack versiegelt werden. Ist das Behältnis weiterhin aus einem leitenden Material, oder weist ein leitendes Material auf, wirkt das Behältnis als faradayscher Käfig, womit die Elektronik im Deckel auch vor elektromagnetischer Strahlung geschützt wird, die die Elektronik nachteilig beeinflussen könnte und somit zu falschen Messergebnissen führen könnte. Ferner kann der Deckel mindestens zwei Ausnehmungen
aufweisen. Diese können beispielsweise auf entgegengesetzten Seiten des Deckels angeordnet sein. Das Behältnis kann durch eine Ausnehmung auch im geschlossenen Zustand, d.h. wenn der das Behältnis durch den Deckel verschlossen ist, mit einem flüssigen Füllmaterial befüllt werden. Somit kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Füllmaterial und dem Deckel gebildet werden und Lufteinschlüsse dazwischen
vermieden werden, da das flüssige Füllmaterial das Behältnis komplett ausfüllt. Eine zweite Ausnehmung begünstigt beim Füllprozess einen stetigen Druckausgleich im Behältnis. Somit werden Blasen, die beim Füllprozess sonst auf Grund von
Lufteinschlüssen leicht entstehen können, vermieden und es bildet sich ein homogener formschlüssiger Füllstoff im
Behältnis .
Zumindest in einer der Ausnehmungen kann ein Durchgang für einen Draht gebildet sein, wobei die piezoelektrische Scheibe mit der Elektronik durch den Draht elektrisch verbunden sein kann. Durch den Durchgang kann der Draht mechanisch
stabilisiert werden und eine robuste elektrische Verbindung hergestellt werden. Zusätzlich kann das Füllmaterial so in das Behältnis gefüllt werden, dass es den Durchgang und die Kontaktierung zwischen Draht und Elektronik bedeckt und die elektrische Verbindung selbst nach dem Aushärten vor äußeren Einflüssen schützt.
Weiterhin kann das Behältnis eine Stufe entlang der Öffnung in einer Wand aufweisen. Diese Stufe dient dem Deckel als Auflagefläche, so dass der Deckel einfach in dem Behältnis, ohne der Gefahr eines Abrutschen des Deckels in das
Behältnis, angeordnet werden kann. Um den Deckel fest und gedämpft mit dem Behältnis zu verbinden, kann es vorteilhaft sein, eine Silikon- oder SchaumstoffSchicht zwischen Deckel und Behältnis anzuordnen.
Die Elektronik kann eine digitale I/O Schnittstelle auf einer Außenseite des Deckels aufweisen. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel kann die digitale I/O Schnittstelle ebenfalls die elektrische Versorgung des Ultraschallwandlers umsetzen. Indem der Anschluss direkt auf dem Deckel
angeordnet wird, kann der Ultraschallwandler kompakt gehalten werden. Außerdem kann der Ultraschallwandler so unvermittelt kontaktiert werden und braucht keine weiteren elektrischen Anschlüsse. Die digitale I/O Schnittstelle eignet sich besonders zur Kommunikation, um beispielsweise Messsignale oder Warnsignale nach außen zu geben, da sie im Gegensatz zu analogen Schnittstellen eine höhere Störfestigkeit besitzt und daher auch in einer von Störsignalen belasteten Umgebung fehlerfrei funktioniert.
Die Elektronik kann Pins auf der Außenseite des Deckels aufweisen. Dies können beispielsweise drei gerade elektrische Leiter sein, die vom Deckel ausgehend entgegengesetzt der Richtung zum Boden vom Behältnis hervorstehen. Insbesondere können die Pins dazu ausgestaltet sein, gleichzeitig als elektronischer Anschluss und zur mechanischen Befestigung des Ultraschall-Wandlers zu dienen. Ein Einbau des Ultraschall- Wandler kann einhergehend vereinfacht werden, da der
Ultraschall-Wandler durch ein Stecksystem an seinem Eisatzort durch die Pins arretiert werden kann, ohne das weiteres
Werkzeug oder weitere Befestigungsmechanismen von Nöten sind. Ferner können die Pins auch lediglich unterstützend zu anderen Befestigungsarten verwendet werden. Ferner kann der Boden dünner als 1 mm sein. Der Boden, der ebenfalls als Membran dient, muss einerseits elastisch genug sein, um den Auslenkbewegungen der piezoelektrischen Scheibe zu folgen, andererseits sollte er stabil genug sein, um äußeren Einflüssen, wie etwa Wasserstrahlen zur Reinigung, stand zuhalten. Eine Stärke vom Boden von weniger als 1 mm und mehr als 0,2 mm haben sich als vorteilhaft erwiesen. Die Stärke des Bodens, zusammen mit dem Durchmesser, kann auch wesentlich die Resonanzfrequenz bestimmen, an welcher das Bauteil vorteilhaft zur Abgabe und Aufnahme von Ultraschall betrieben werden kann.
Die Stärke der Wände kann mehr als das 1,5-fache der Stärke des Bodens betragen und ist bevorzugt dicker als das 3-fache der Stärke des Bodens. Es hat sich gezeigt, dass solche Wandstärken geeignet sind, die Übertragung von Vibrationen des Bodens bzw. der Membran zu einer Fläche die parallel zum Boden verläuft, wie etwa dem Deckel oder einem Überstand des Behältnisses, der zur Halterung des Ultraschall-Wandlers benutzt werden kann, zu unterdrücken. Vibrationen, die über die Halterung an eine angrenzende Befestigung, die zur
Applikation gehört, übertagen werden, könnten anschließend reflektiert werden und somit im Ultraschall-Wandler als Phantomsignal fälschlicherweise als ein Messsignal erfasst werden. Wird die Wandstärke so gewählt, dass sie mindestens das 1,5-fache der Stärke der Membran beträgt, kann einer Übertragung von Vibrationen vom Boden an andere Teile des Behältnisses unterbunden werden. Der Boden besitzt gewisse Eigenmoden, die mit in einer Eigenfrequenz schwingen und unter anderem durch die Stärke des Bodens bestimmt werden. Indem die Wand mindestens die 1,5-fache Stärke des Bodens besitzen kann, kann eine Übertragung der Schwingungsmoden an andere Bereiche des Behältnisses unterbunden werden. Die Wandstärke sollte allerdings nicht mehr als das 20-fache, bevorzugt nicht mehr als das 10-fache, der Stärke des Bodens betragen, da das Bauteil sonst zu schwer werden kann und eine kleine Ausführung des Bauteils schwerer zu realisieren ist.
Weiterhin kann das Behältnis dazu ausgelegt sein, eine Ebene der Schallausbreitungsrichtung zu bevorzugen. Indem der sich ausbreitende Schallkegel eingeengt wird, kann die Genauigkeit der Distanzmessung erhöht werden, da die Propagation der Schallwelle in eine Raumrichtung ausgeschlossen werden kann. Im einfachsten Fall wird das Behältnis dazu oval ausgebildet. Andere Formen des Behältnisses können ebenfalls dazu
ausgestaltet sein, eine Ausbreitung des Schalls in einer Ebene zu bevorzugen.
Das Behältnis kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Ein Behältnis aus einem elektrisch leitenden
Material, welches mit der elektrischen Masse des Sensors verbunden ist, erhöht die elektromagnetische Verträglichkeit, womit der Ultraschall-Wandler nicht ungewollt durch andere elektrische Geräte in der Umgebung gestört werden kann. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Erdung des Behältnisses über den optionalen digitalen I/O Anschluss realisiert sein. Insbesondere in kleineren mobilen
Anwendungen, wie etwa Drohnen oder autonomen Robotern, können beispielsweise viele Elektromotoren verbaut sein, die
elektromagnetische Störsignale aussenden können. Wird das Behältnis aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt, können die piezoelektrischen Scheibe und eine im Inneren des Behältnisses angeordneten Elektronik gegenüber äußeren Störsignalen abgeschirmt werden. Geeignete Materialien können Metalle wie Al, Cu, Sn, Fe,
Stahl aber auch Legierungen sein. Da der Boden des
Behältnisses auch als Membran wirkt, ist es vorteilhaft ein Material zu benutzen, das eine relativ hohe Flexibilität aufweist. Daher sind Metalle mit einem niedrigen
Elastizitätsmodul wie Al oder Sn besonders bevorzugt.
Weiterhin kann die innere Oberfläche das Behältnis partiell aufgeraut und/oder geglättet sein. Die Oberfläche im Inneren des Behältnisses aufzurauen, hat zur Folge, dass Materialien besser an dieser Oberfläche haften, aber dafür auch der
Ultraschall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Eine Glättung der Oberfläche mindert eine Haftung an der
Oberfläche, streut jedoch den Ultraschall nicht. Aus diesem Grunde kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die
Oberfläche des Bodens angrenzend zur piezoelektrischen
Scheibe aufzurauen damit diese ebendort besser haftet. Der Rest der Fläche des Bodens im Inneren des Behältnisses kann beispielsweise geglättet sein, um die Haftung eines
Dämpfungselements an dieser Stelle zu mindern und somit einer Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe weniger zu
behindern. Ergänzend kann die innere Oberfläche des
Behältnisses auch aufgeraut sein, womit der Schall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Zur Aufrauhung kann etwa ein Sandstrahl-, oder Ätzverfahren und zur Glättung ein
Schleif-, oder Beschichtungsverfahren verwendet werden.
Das Behältnis kann eloxiert oder anodisiert sein. Das
Anodisieren schützt das Behältnis vor Korrosion und macht es beständiger gegenüber Umwelteinflüssen. Es kann eine innere Oberfläche des Behältnisses eloxiert oder anodisiert sein und eine äußere Oberfläche unbehandelt sein, oder eine innere Oberfläche des Behältnisses und eine äußere Oberfläche des Behältnisses eloxiert oder anodisiert sein. Es ist auch möglich eine äußere Oberfläche des Behältnisses zu eloxieren oder zu anodisieren und eine innere Oberfläche unbehandelt zu lassen. Das Anodisieren einer inneren Oberfläche des
Behältnisses kann vor Allem vollzogen werden, um das
Behältnis vor einem Schaden durch ein Füllmaterial,
verwendeten Lösungsmitteln oder durch chemischen Reaktionen zu schützen. Auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses ist das Anodisieren besonders vorteilhaft, da die äußere Oberfläche der Umwelt ausgesetzt ist und das Anodisieren das Behältnis vor Korrosion schützt. Um das Behältnis bestmöglich zu schützen, ist das Anodisieren sowohl auf der inneren
Oberfläche als auch auf der äußeren Oberfläche des
Behältnisses zu empfehlen.
Eine innere Oberfläche des Behältnisses kann eine
Anodisierungsschicht aufweisen, wobei die
Anodisierungsschicht eine Durchbrechung aufweisen kann.
Beispielsweise dazu kann eine anodisierte innere Oberfläche des Behältnisses an einer Stelle gezielt durchbrochen werden, um durch die elektrisch nicht leitfähigen
Anodisierungsschicht eine elektrische Kontaktierung des
Behältnisses zu ermöglichen.
Ferner kann über die Durchbrechung eine elektrische
Verbindung der piezoelektrischen Scheibe und zusätzlich oder alternativ der Elektronik mit einem Referenzpotential
gebildet werden. Dies kann beispielsweise über eine Lötung auf dem Durchbruch realisiert werden.
Zusätzlich kann eine innere Oberfläche des Behältnisses eine leitende Schicht aufweisen. Falls das Behältnis aus einem Material besteht, das nicht leitend ist, wird durch die leitende Schicht ein faradayscher Käfig gebildet, der die im Inneren des Behältnis angeordnete elektronischen Komponenten vor äußeren Einflüssen schützt und somit zur Messstabilität und der Messgenauigkeit beiträgt. Wird eine innere Oberfläche des Behältnis ferner eloxiert, anodisiert oder mit einer anderen Schutzschicht versehen, wird durch eine leitende Schicht auf der inneren Oberfläche die Möglichkeit eröffnet, eine Erdung über die leitende Schicht für verbaute
elektronische Komponenten zu realisieren.
Ein Teil des Bodens kann eine dickere Stärke aufweisen als die zur piezoelektrischen Scheibe angrenzende Bodenfläche, die als Membran genutzt wird. Die verstärkten Flächen
stabilisieren das Behältnis und sind dafür geeignet als Auflageflächen an einer Befestigung, einem Gerüst oder einem Tragwerk in einer Anwendung genutzt zu werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Fläche des Behältnisses, die parallel zum Boden verläuft und nicht mit dem Boden überlappt, eine dickere Wandstärke aufweist als die zur piezoelektrischen Scheibe angrenzende Bodenfläche. Auch in dieser Ausführungsform dienen die verstärkten Flächen dazu, das Behältnis zu stabilisieren und als Auflageflächen zu fungieren. Durch eine zum Boden seitliche Anordnung der verstärkten Flächen kann das Behältnis so in einem Loch angeordnet werden, dass der Boden des Behältnisses mit der piezoelektrischen Scheibe im Loch angeordnet ist und die verstärkten Flächen über den Rand des Loches aufliegen. Somit kann ein so in einem Loch angeordneter Ultraschall-Wandler Distanzmessungen durch das Loch hindurch durchführen.
Die verstärkten Flächen können auf einer äußeren Oberfläche ein adhäsives Material aufweisen. Somit ist ein unproblematischer Einbau des Ultraschall-Wandlers in eine Anwendung gewährleistet. Der Ultraschall-Wandler muss dafür lediglich an die vorgesehene Stelle positioniert werden, so dass das adhäsive Material an der Befestigung haftet. Es ist wünschenswert, dass das adhäsive Material aus einem
schaumartigen weichen Material mit Gaseinschlüssen besteht, das Vibrationen vom Ultraschall-Wandler zu der Befestigung dämpft .
Auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses können
schalldämpfende Komponenten angeordnet sein. Die
schalldämpfenden Komponenten dämpfen den Ultraschall und Vibrationen bezüglich einer unerwünschten
Propagationsrichtung. Vorzugsweise sind die schalldämpfenden Komponenten aus einem schaumartigen Material. Eine Ausführung als elektrisch leitfähiges Material ist wünschenswert, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandlers nicht zu mindern, sondern, im Gegenteil, noch zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist der Deckel eine Leiterplatte.
Auf diese Weise kann die Elektronik leicht in den Deckel integriert werden und alle benötigten elektrischen Bauteile können ohne weiteres elektrisch kontaktiert werden.
Zusätzlich kann, da die Leiterbahnen moduliert werden können, die Anordnung von elektrischen Bauteilen auf der Leiterbahn verändert werden, so dass die elektrischen Komponenten platzsparend oder geometrisch vorteilhaft angeordnet werden können .
Wird eine Leiterplatte als Deckel verwendet, kann diese flexibel sein. Somit kann Ultraschall, der von der
piezoelektrischen Scheibe zum Deckel propagiert, gedämpft werden und sowohl Phantomsignale als auch die Übertragung von Vibrationen unterdrückt werden. Außerdem kann der Einbau einer flexiblen Leiterplatte als Deckel gegenüber einer starren Leiterplatte leichter ausführbar sein.
Die Leiterplatte kann auf der Außenseite elektrische
Massefläche aufweisen, die geerdet sind. Somit kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandler erhöht werden. Zugleich können die auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten sowie die Leiterplatte selbst vor gefährlichen Spannungsspitzen geschützt werden.
Weiterhin kann die Leiterplatte, die als Deckel genutzt wird, in eine plastische Masse eingegossen sein. Bevorzugt ist die plastische Masse auch nach dem Aushärten flexibel, um
Vibrationen zu dämpfen. Die plastische Masse füllt vorhandene Ritzen oder Löcher in der Leiterplatte sowie Spalte zwischen Leiterplatte und Behältnis. Demnach wird das Behältnis luftdicht versiegelt und die Ausbreitung der
Ultraschallwellen in diese Richtung kann unterdrückt werden. Darüber hinaus kann so ein dichter Verschluss mit einem
Deckel realisiert werden, der keinen Berührungspunkt zu den Wänden des Behältnisses hat. Somit werden Übertragungen von Vibrationen zwischen Deckel und Wänden unterdrückt. Als plastische Masse kann etwa ein Silikon oder ein weiches Harz benutzt werden.
Die Leiterplatte kann elektrische Komponenten aufweisen, die auf einer Fläche der Leiterplatte, die zur piezoelektrischen Scheibe zeigt, angeordnet sind. Somit sind die elektrischen Komponenten sowohl vor möglichen Schaden auf Grund von mechanischen oder chemischen Umwelteinflüssen als auch vor äußeren elektromagnetischen Störsignalen geschützt.
Zusätzlich kann durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht unebene Oberfläche des Deckels der Ultraschall gestreut werden und eine ungewünschte Propagation des
Ultraschalls vermindert werden.
Die Leiterplatte kann eine integrierte Schaltung mit einer Ladungspumpe aufweisen. Die piezoelektrische Scheibe benötigt für den Betrieb meist eine höhere Spannung als die häufig vorgegebene Versorgungsspannung von 5 bis 12 V. In diesem Fall ist es nötig, aus der niedrigen Versorgungsspannung eine höherwertige Betriebsspannung für die piezoelektrische
Scheibe zu generieren. Da Transformatoren eine große Bauform aufweisen, ist es vorteilhaft die höhere Betriebsspannung für die piezoelektrische Scheibe mit Hilfe einer Ladungspumpe, die in einer integrierten Schaltung enthalten ist, aus einer niedrigen Versorgungsspannung zu erzeugen.
Ferner kann die Leiterplatte eine analoge Masseleitung und eine digitale Masseleitung aufweisen, wobei die analoge
Masseleitung und die digitale Masseleitung so ausgestaltet sein können, dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der digitalen Masseleitung und der analogen
Masseleitung unterdrückt werden kann. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich schnelle Oszillationen, die sich beispielsweise auf der digitalen Masseleitung auf Grund der schnellen Schaltzeiten der integrierten Schaltung bilden können, parasitär auf die analoge Masseleitung ausbreiten und die Distanzmessung stören. Ladungspumpen neigen insbesondere dazu, eine geringe Offset-Spannung auf der Masseleitung zu generieren. Durch eine Ausgestaltung der digitalen und analogen Masseleitung, so dass sich diese gegenseitig nicht beeinflussen, wird eine Störung der Distanzmessung
unterdrückt . Die analoge Masseleitung und die digitale Masseleitung können auf entgegengesetzten Seiten der integrierten Schaltung angeordnet sein. Somit ist bereits eine räumliche Distanz zwischen der digitalen und der analogen Masseleitung
vorgegeben, so dass eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Masseleitungen vermieden wird und keine
ungewollten Störungen auftreten.
Ferner kann der Ultraschall-Wandler einen Temperatursensor aufweisen. Die Schallgeschwindigkeit in Medien ist immer temperaturabhängig, wodurch auch die Distanzmessung des
Ultraschallwandlers von der Umgebungstemperatur abhängt. Die lineare Korrekturformel für die Schallgeschwindigkeit in Luft kann cair= (331, 3+0, 606*v) m/s lauten, wobei v die
Lufttemperatur in °C ist. Durch eine Messung der
Lufttemperatur kann dieser Korrekturterm auf die gemessene Distanz angewandt werden, um eine korrekte Distanzmessung zu ermöglichen. Die Integration eines Temperatursensors in den Ultraschallwandler kann dabei helfen, innerhalb eines breiten Temperaturbereichs korrekte Distanzmessung zu realisieren.
Der Temperatursensor kann beispielweise ein NTC-Sensor oder ein PTC-Sensor aufweisen. Diese weisen eine hohe
Messgenauigkeit und Robustheit bei gleichzeitig niedrigen Energieverbrauch auf. Darüber hinaus können NTC- und PTC- Sensor leicht in elektrischen Schaltungen eingebunden werden, womit sie äußerst geeignet für einen Einsatz in dem
Ultraschallsensor nach der vorliegenden Erfindung sind.
Es kann vorteilhaft sein, den Temperatursensor im Inneren des Behältnisses anzuordnen. Im Inneren des Behältnisses ist der Temperatursensor vor äußeren Gefahren geschützt. Eine direkte Anordnung auf einer inneren Oberfläche des Behältnisses führt dazu, dass der Temperatursensor einen guten thermischen
Kontakt zu der Umgebung hat, da die Wandstärke des Behältnis gering ist und, falls es aus einem Metall besteht, das
Behältnis auch hervorragende Wärmeleitfähigkeit besitzt. In einer besonders bevorzugten Anordnung kann der
Temperatursensor auf dem Boden des Behältnisses aufliegen. An dieser Stelle ist die Wandstärke besonders gering und daher ein besonders guter thermischer Kontakt vom Temperatursensor zur Umgebung gegeben. Außerdem wird von der im Deckel
integrierten Elektronik unweigerlich Wärme produziert, die eine Temperaturmessung verfälschen kann. Daher kann eine Integration des Sensorchips im Deckel unvorteilhaft sein, da die Temperaturmessung verfälscht werden kann. Indem der
Temperatursensor eine möglichst große Distanz zum Deckel hat, da er auf den Boden angeordnet wird, wird eine genauere
Temperaturmessung ermöglicht.
In einer Ausführungsform kann die piezoelektrische Scheibe als Temperatursensor verwendet werden. Die piezoelektrische Scheibe besteht aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und somit eine
Kapazität bildet. Abhängig von der Umgebungstemperatur dehnt sich das piezoelektrische Material aus oder zieht sich zusammen, womit auch der Abstand der Elektroden zueinander und damit auch die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe verändert werden. Indem die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe mit Hilfe der im Deckel integrierten Elektronik vermessen wird, kann aus der Kapazität auf die Temperatur geschlossen werden und die Distanzmessung des
Ultraschallwandler auf Basis der Umgebungstemperatur
korrigiert werden. Der Ultraschall-Wandler kann dazu ausgestaltet sein, eine Temperaturabhängigkeit von gemessenen Distanzen auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auf Basis von Messwerten des Temperatursensors auszugleichen. Durch eine Korrektur der gemessen Distanzen durch einen Term, der von der Umgebungstemperatur abhängt, kann der
Ultraschallwandler in einem weiten Temperaturbereich, der beispielsweise von - 40 bis 85 °C reichen kann, präzise
Messergebnisse bereitstellen .
Der Ultraschall-Wandler nach der vorliegenden Erfindung kann in einer Anordnung integriert sein, die eine Befestigung für eine zugehörige Anwendung aufweist, wobei der
Ultraschallsensor ohne weiteres Gehäuse direkt an der
Befestigung angeordnet sein kann. Eine solche Anordnung benötigt kein weiteres Gehäuse für den Ultraschall-Wandler, so dass Platz eingespart wird und der Ultraschall-Wandler auch in einer gedrängten Umgebung eingesetzt werden kann. Das ermöglicht den Gebrauch des Ultraschall-Wandlers in
Applikationen, die üblichen Ultraschall-Wandler verwehrt bleiben, wie etwa kleinen Drohnen oder autonomen Robotern.
Ein Gerät kann einen Ultraschall-Wandler gemäß der
vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei das Gerät dazu ausgestaltet sein kann, auf Basis eines von dem Ultraschall- Wandler ermittelten Signals eine Distanz des Geräts zu einem Objekt zu messen. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um autonome Roboter, wie selbstfahrende Roboter in der
Lagerlogistik oder in der industriellen Fertigung,
Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder autonome fliegende Objekte wie Drohnen handeln. Der Ultraschall-Wandler kann aber auch in Geräten wie Autos, Ladestationen in der Elektromobilität oder Laptops sowie Steuergeräte mit Monitor als Schnittstelle zum Bediener eingesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers. Dabei kann es sich beispielsweise um den oben beschriebenen Ultraschall-Wandler handeln.
Das Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers weist die folgenden Schritte auf:
Herstellen eines Behältnis mit einer Öffnung, einem Boden und einer Wand in einem Fließpressverfahren;
Befestigen einer piezoelektrische Scheibe auf dem Boden des Behältnisses;
Verschließen des Behältnisses mit einem Deckel, der eine integrierte Elektronik aufweist,
wobei die Elektronik die piezoelektrische Scheibe elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist, die piezoelektrische Scheibe zu steuern und auszulesen.
Der Deckel kann insbesondere eine Platine sein.
Vor dem Verschließen des Behältnisses kann ein erster
Silikonring auf einer vom Boden wegweisenden Auflagefläche des Behältnisses angeordnet und ausgehärtet werden, wobei bei dem Schritt des Verschließens des Behältnisses der Deckel auf dem ersten Silikonring angeordnet wird. Alternativ zu dem ersten Silikonring kann eine SchaumstoffSchicht verwendet werden .
Ein zweiter Silikonring kann auf der Seite des Deckels angeordnet werden, die vom Boden wegweist, wobei der Deckel zwischen dem ersten und dem zweiten Silikonring fixiert wird. Die Elektronik kann mit der piezoelektrischen Scheibe über einen Draht elektrisch kontaktiert werden, der mit der
Elektronik verlötet ist. Vorzugsweise kann die Elektronik über zwei Drähte mit der piezoelektrischen Scheibe
kontaktiert sein, wobei jeder der beiden Drähte an die
Elektronik angelötet ist.
Der Deckel kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, in der der Draht angeordnet wird, wobei in dem Schritt des
Verschließens des Behältnisses der Deckel durch eine
Translationsbewegung auf das Behältnis aufgeschoben wird und anschließend der Draht mit der Elektronik verlötet wird. Für jeden Draht kann der Deckel eine Ausnehmung aufweisen.
Ein flüssiges Füllmaterial kann in einen Hohlraum zwischen dem Deckel und dem Boden eingefüllt werden, wobei das flüssige Füllmaterial zu einem Dämpfungselement ausgehärtet wird. Der Deckel kann eine weitere Ausnehmung aufweisen, durch die das flüssige Füllmaterial eingefüllt wird. Dabei kann so viel flüssiges Füllmaterial eingefüllt werden, dass dieses aus den Ausnehmungen heraustritt, in denen die Drähte angeordnet sind. Das heraustretende Füllmaterial überzieht und schützt nach seinem Aushärten die Kontaktstelle des jeweiligen Drahts mit dem Deckel.
Um Farbe oder Eigenschaften des Ultraschall-Wandlers an Kundenwünsche anzupassen, kann das Behältnis, insbesondere an der äußeren Oberfläche des Bodens, die vom Deckel wegweist, geeignet behandelt werden, beispielsweise beschichtet, eloxiert oder lackiert werden. Zusätzlich kann der Deckel mit einer Schutzschicht beschichtet werden oder mit einer Folie oder einem weiteren Deckel gekapselt werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Explosionsansicht eines Ultraschall- Wandlers .
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite eines Deckels .
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines zusammengefügten
Ultraschall-Wandler .
Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines
Behältnisses, in dem ein Temperatursensor angeordnet ist.
Figur 5 zeigt eine Explosionsansicht einer weiteren
Ausführungsform eines Ultraschall-Wandlers.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt einer weiteren
Ausführungsform eines zusammengefügten Ultraschall-Wandler.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
zusammengefügten Ultraschall-Wandler .
In Figur 1 wird eine Explosionsansicht eines Ultraschall- Wandlers 1 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein
Behältnis 2, welches eine Öffnung, einen Boden 3 und
kreisrunde Wände aufweist, ist aus zwei zylinderförmigen Teilen, einem unteren und einem oberen, aufgebaut. Der untere Teil besitzt einen kleineren Radius als der obere Teil und ist an einer unteren runden Grundfläche mit dem Boden 3 verschlossen, der auch als Membran dient. Nach oben hin ist das untere Teil offen. Das gesamte Behältnis 2 ist einstückig und der obere Teil ist somit mit dem unteren Teil über eine Verbindungsfläche, die parallel zum Boden 3 verläuft,
verbunden. Der obere Teil ist ebenfalls nach oben geöffnet.
Im Inneren des Behältnisses 2 wird eine piezoelektrische Scheibe 5 mit einer Klebeschicht 13 oder einer Klebescheibe am Boden 3 fixiert. Darüber ist ein Dämpfungselement 8 angeordnet, das an die Form des Behältnisses 2 angepasst ist und dieses komplett ausfüllt. Über Drähte 14 wird die
piezoelektrische Scheibe 5 mit einer Elektronik 7 verbunden. Diese ist auf einer Seite eines Deckels 6 angeordnet, die nach innen zeigt. Der Deckel 6 selbst ist eine Leiterplatte 12 und weist auf einer Seite, die nach außen zeigt, eine digitale I/O Schnittstelle 9 auf.
Über die digitale I/O Schnittstelle 9 wird nicht nur die Kommunikation nach außen realisiert, sondern auch die
Elektronik 7 sowie die piezoelektrische Scheibe 5 mit
Elektrizität versorgt. Die Anordnung der digitalen I/O
Schnittstelle 9 auf dem Deckel 6 ermöglicht eine kompakte Bauweise des Ultraschall-Wandlers 1 und eine einfache
Kontaktierung, da keine weiteren Anschlüsse zu beachten sind. Im Gegensatz zu analogen Schnittstellen besitzt eine digitale I/O Schnittstelle 9 eine hohe Toleranz bezüglich
Störsignalen, die beispielsweise von naheliegenden
Elektromotoren stammen können. Beispielsweise kann die
Schnittstelle auch mit einem FFC Konnektor realisiert werden. Dieser stellt über seine acht Kontakte ein Debug-Interface zur Verfügung, welches eine Vielzahl an Auslesemöglichkeiten bietet, die insbesondere für Entwickler und bei aufwendigeren Anwendungen vorteilhaft sein können. Als besonders einfache Alternative kann 2- oder 3-Wire-Interface als Schnittstelle verwendet werden. Diese sind gegenüber den vorher genannten Alternativen Schnittstellen am kostengünstigsten. Auch einfache Stiftleisten, die mit zwei bis acht Stiften versehen sind, sind als Schnittstelle für den Ultraschwallwandler 1 möglich .
Der Deckel 6 ist eine Leiterplatte 12, die auf einer
Außenseite Masseflächen und auf einer Innenseite die
Elektronik 7 in Form von elektrischen Bauteilen aufweist. Vorzugsweise ist der Deckel 6 so geformt, dass er die Wände des Behältnisses 2 nicht berührt. Die Leiterbahnen auf der Leiterplatte 12 können angepasst werden, um die elektrischen Komponenten beispielsweise platzsparend oder geometrisch vorteilhaft bezüglich der Form des Behältnisses 2 zu
arrangieren .
Durch die Anordnung der Elektronik 7 auf die Innenseite des Deckels 6 werden die elektrischen Komponenten, falls das Behältnis 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, vor äußeren elektromagnetischen Störsignalen
geschützt .
Darüber hinaus fördert die unebene Oberfläche, die durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht wird, eine Streuung von Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe 5 zum Deckel 6, und damit falschrum, propagiert. Ein weiterer
Vorteil der Anordnung der Elektronik 7 auf der Innenseite der Elektronik 7 ist, dass die Elektronik 7 vor mechanischen oder chemischen Schäden, die aus Umgebungseinflüssen resultieren können, geschützt wird.
Indem die Leiterplatte 12 flexibel ist und/oder in einer plastischen Masse eingegossen ist, kann Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe 5 zum Deckel 6 propagiert, gedämpft werden und damit eine weitere Ausbreitung von
Vibrationen sowie damit einhergehende Phantomsignale
unterdrückt werden. Ein Einbau einer flexiblen Leiterplatte 12 als Deckel 6 kann gegenüber starren Deckeln 6 einfacher durchzuführen sein. Die plastische Masse wird zum Auffüllen von möglichen Ritzen sowie Löcher in der Leiterplatte 12 und einem möglichen Spalt zwischen Deckel 6 und Behältnis 2 benutzt. Somit kann das das Behältnis 2 versiegelt werden und die Ausbreitung der Ultraschallwellen noch besser unterdrückt werden. Wird ein Deckel 6 verwendet, der kleiner als das Behältnis 2 ist, kann mit der plastischen Masse trotzdem ein dichter Verschluss realisiert werden, der sogar Übertragungen von Vibrationen zwischen Deckel 6 und Wand 4 mindert. Als plastische Masse kann etwa ein Silikon oder ein weiches Harz benutzt werden.
Der Deckel 6 kann mit einem wiederverschließbaren
Befestigungsmechanismus im Behältnis 2 fixiert sein. Der Befestigungsmechanismus kann beispielsweise ein Einschnapp- Mechanismus sein, der den Deckel 6 an einer Position lösbar fixiert. Dadurch kann der Deckel 6 geöffnet werden und die elektrischen Komponenten oder Kontaktierungen der Elektronik 7 auf der Innenseite des Deckels 6 begutachtet werden.
Entspricht der Querschnitt des Deckels 6 dem Innenquerschnitt des Behältnisses 2, ist es vorteilhaft, einen elastischen Ring 22, der beispielweise aus Silikon sein kann, unter dem Deckel 6 zu positionieren. Auf diese Weise kann ein wenig Freiraum beim Öffnen des Deckels 6 gestattet werden, der das Öffnen erleichtert.
In Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel für eine
Außenrissform sowie für ein Layout der Leiterbahnen eines Deckels 6 gezeigt. Der Deckel 6 kann samt Elektronik 7 auf Außen- sowie Innenseite des Deckels 6 mit einer Schutzschicht bedeckt werden, um die Leitungen, die Elektronik 7 und die Kontaktierungen gegenüber Feuchtigkeit, Korrosion und
möglichen Kurzschlüssen zu schützen. Bei der Schutzschicht kann es sich beispielsweise um einen Lack oder einen Verguss handeln .
Der Deckel 6 weist am Rand drei Ausnehmungen 15 auf, wobei zwei der drei Ausnehmungen 15 auf entgegengesetzten Seiten des Deckels 6 liegen. Die entgegengesetzten Ausnehmung 15 erlauben es, den Deckel 6 beim Einsetzen in das Behältnis 2 einfacher handhaben zu können. So erlauben die Ausnehmungen 15 im Deckel 6, die ebenfalls eine elektrische Verbindung zwischen Außen-und Innenseite aufweisen können, eine
einfachere Kontaktierung zwischen den Drähten 14 und den Elektronik 7. Beispielsweise kann es durch die Ausnehmungen 15 ermöglicht werden, den Deckel 6 mit einer
Translationsbewegung an die 14 Drähte heranzuschieben. Der Deckel 6 kann vermittels der Ausnehmungen 15 für eine
einfache Kontaktierung, die beispielsweise mit einem
Lötprozess realisiert wird, noch etwas bewegt werden, um so etwas Spielraum für die Kontaktierung des Deckels 6 mittels Draht 14 herzustellen. Alternativ dazu müssten die Drähte 14 durch kleine Löcher im Deckel gefädelt werden, wodurch die Zusammensetzung des Ultraschallwandlers erschwert würde.
Eine vorteilhafte Montage des Deckels 6 stellt sich
folgendermaßen dar. Zuerst wird am Behältnis 2 eine
Auflagefläche sowie angrenzende Seitenflächen des Deckels mit einem Dämpfmaterial, beispielsweise Silikon, bedeckt und dieses falls nötig ausgehärtet. Anschließend wird der Deckel 6 in dem Behältnis 2 angeordnet und eine elektrische
Kontaktierung zwischen der piezoelektrischen Scheibe 5 und der Elektronik 7 über den Draht 14 hergestellt. Nachdem der Deckel 6 elektrisch kontaktiert ist, wird er an seine finale Position geschoben. Nun wird eine weitere Schicht
Dämpfungsmaterial, wie zum Beispiel Silikon, entlang des äußeren Umfangs des Deckels 6 verklebt, die den Deckel 6 an seine Position befestigt. Folgend kann ein flüssiges
Dämpfungsmaterial in das Behältnis gefüllt werden.
Weiterhin kann das Behältnis 2 durch eine Ausnehmung 15 auch im geschlossenen Zustand mit einem flüssigen Füllmaterial befüllt werden. Dies sorgt dafür, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Dämpfungselement 8 und dem Deckel 6 sowie der Elektronik 7 gebildet werden kann, da
Lufteinschlüsse zwischen Deckel 6 und Dämpfungselement 8 vermieden wird, da das flüssige Füllmaterial das Behältnis 2 komplett ausfüllt. Das sorgt dafür, dass die Elektronik 7 am Deckel 6 durch das formschlüssigen Dämpfungselement 8 noch besser geschützt wird und der Deckel 6 gegenüber Vibrationen gedämpft wird. Insbesondere eine Übertragung der Vibrationen vom Behältnis 2 an den Deckel 6 kann durch die Dämpfung des Deckels 6 durch das Dämpfungselement 8 unterdrückt werden, so dass sich keine akustischen Nebenkeulen bilden können, die die Distanzmessung verfälschen können. Indem mehr als eine Ausnehmung 15 im Deckel 6 eingeführt werden, kann beim
Füllprozess ein stetiger und gleichmäßiger Druckausgleich stattfinden. Dies verhindert Blasen und Lufteinschlüsse, die beim Füllprozess sonst leicht entstehen können. Stattdessen wird ein homogenes formschlüssiges Dämpfungselement 8, ohne makroskopische Luftblasen, im Behältnis 2 geformt.
In zwei der drei Ausnehmungen 15 wurde kann ein Durchgang 16 für einen Draht 14 gebildet. Durch diese kann die
piezoelektrische Scheibe 5 mit der Elektronik 7 im Deckel 6 elektrisch verbunden werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem Draht 14 und der Elektronik 7 wird durch den Durchgang 16 stabilisiert. In einer Ausführungsform kann ein flüssiges Füllmaterial so in das Behältnis 2 gefüllt werden, dass das flüssige Füllmaterial die Ausnehmungen 15 und damit auch den Durchgang 16 und die Kontaktierung zwischen Draht 14 und Elektronik 7 bedeckt. Durch den Überzug aus flüssigem Füllmaterial, das im Anschluss trocknet, wird die
Kontaktierung von Draht 14 und Elektronik 7 vor äußeren
Einflüssen geschützt. Weiterhin kann der Deckel 6 nach der Montage auf der Außenseite mit einer Schutzschicht
beschichtet werden sowie mit einer Folie oder einem
Verschluss versiegelt werden, um den Ultraschwallwandler 1 und die Elektronik 7 vor der Umgebung zu schützen.
In dem Layout der Leiterbahnen, das in Figur 2 gezeigt wird, ist eine integrierte Schaltung 17 mittig angeordnet. Die integrierte Schaltung 17 weist eine Ladungspumpe auf, mit der die von der piezoelektrischen Scheibe 5 benötigte
Betriebsspannung, die höher ist als eine Versorgungsspannung der Schaltung zwischen 5 und 12 V, generiert werden kann. Alternativ könnten zwar auch Transformatoren für die
Erzeugung höherer Spannungen genutzt werden, diese weisen jedoch eine große Bauform auf. Ladungspumpen neigen dazu, eine geringe Offset-Spannung auf der Masseleitung zu
generieren. Schnelle Oszillationen auf den Masseleitungen, die sich beispielsweise auf einer digitalen Masseleitung 19 auf Grund der schnellen Schaltzeiten der integrierten
Schaltung 17 bilden können, können sich parasitär auf eine analoge Masseleitung 18 ausbreiten und somit die
Signalverarbeitung sowie die Distanzmessung stören. Indem die digitale und analoge Masseleitung 18, 19 so ausgestaltet werden, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen, wird eine Störung der Distanzmessung unterdrückt. Dies wurde bei dem Layout, das in Figur 2 gezeigt wird, erreicht.
In erster Linie wird eine elektromagnetische Entkopplung der digitalen Masseleitung 19 erzielt, indem die analoge
Masseleitung 18 und die digitale Masseleitung 19 auf
entgegengesetzten Seiten der integrierten Schaltung 17 angeordnet sind. In dem Layout aus Figur 2 ist die digitale Masseleitung 19 am rechten unteren Eckpunkt der integrierten Schaltung 17 angeordnet und bildet dort eine Massefläche, wogegen die analoge Masseleitung 18 lediglich durch eine kurze Leiterbahn am linken oberen Eck der integrierten
Schaltung 17 ausgebildet ist. Somit ist eine räumliche
Distanz zwischen der digitalen und der analogen Masseleitung 18, 19 vorgegeben, so dass eine elektromagnetische
Wechselwirkung zwischen den Masseleitungen vermieden wird und keine ungewollten Störungen auftreten.
Das Dämpfungselement 8, das zwischen dem Deckel 6 und dem Boden 3 angeordnet ist und das gesamte Behältnis 2 ausfüllt, dient erster Linie zur Dämpfung des Ultraschalls und der Vibrationen, die von der piezoelektrischen Scheibe 5 stammen. Daher ist die wichtigste Eigenschaft des Dämpfungselements 8 die Dämpfungskonstante insbesondere für typische
Ultraschallfrequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz, wobei die Dämpfungskonstante möglichst groß sein sollte. Gummis oder Schaumstoffe weisen geeignete Dämpfungseigenschaften auf. Ausdrücklich sind Schaumstoffe aus Kunstoffen, wie etwa
Silikon, die Gaseinschlüsse aufweisen, als Material für
Dämpfungselement 8 geeignet. Diese können als Feststoff in das Behältnis 2 positioniert werden oder als Flüssigkeit in das Behältnis 2 gegossen werden, wo die flüssige Masse, wie beispielsweise zweikomponentiges Silikon, aushärtet und das Behältnis 2 formschlüssig ausfüllt. Zusätzlich zur Dämpfung der Ultraschallwellen stabilisiert das Dämpfungselement 8 das Behältnis 2 auch noch mechanisch, so dass das Behältnis 2 einen größeren Außendruck widersteht.
Auf einer äußeren Oberfläche der Verbindungsfläche, zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses 2, ist ein adhäsives Material 10 angeordnet. Bevorzugter Weise ist das adhäsive Material 10 aus einem schaumartigen, weichen
Material, welches Vibrationen dämpft. Durch den Einsatz des adhäsiven Materials 10 wird ein Einbau des Ultraschall- Wandlers 1 vereinfacht, da der Ultraschall-Wandler 1 nur an eine Zielposition platziert werden muss, so dass das adhäsive Material 10 an einer Befestigung haftet. Ein schaumartiges Material mindert eine Übertragung von Vibrationen vom
Ultraschall-Wandler 1 zu der Befestigung. Es kann sich hierbei etwa um ein doppeltes Klebeband, das einen
schaumartigen Kern aufweist, handeln. Dieses Klebeband kann bereits an die vorgesehen Fläche mit einer Seite des
Klebebands angebracht sein, wobei eine zweite klebende Seite des Klebebands noch bis zur endgültigen Montage des
Ultraschall-Wandlers 1 in eine Anwendung mit einer
Schutzfolie bedeckt bleiben kann.
Entlang einer äußeren Oberfläche der Wand 5 des unteren Teils des Behältnisses 2 ist eine vibrationsdämpfende Komponente 11 angeordnet. Die vibrationsdämpfende Komponente 11 dämpft den Ultraschall und Vibrationen bezüglich einer unerwünschten Propagationsrichtung senkrecht zum Boden 3. Die
vibrationsdämpfende Komponente 11 ist vorzugsweise aus einem schaumartigen Material, welches vorzugsweise auch elektrisch leitfähiges ist, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandlers 1 zu erhöhen. Es ist jedoch auch möglich ein nichtleitendes Material, wie etwa Silikon zu nutzen .
In Figur 3 wird der Querschnitt eines zusammengefügten
Ultraschall-Wandlers 1 gezeigt. Die Wand 5 des unteren Teils des Behältnisses 2 ist mit einer vibrationsdämpfende
Komponente 11 von außen verkleidet und die Verbindungsfläche zwischen dem unteren und oberen Teil des Behältnisses 2 ist von außen mit adhäsiven Material 10 versehen. Auf den Boden 3 im Inneren des Behältnisses 2 ist eine piezoelektrische
Scheibe 5 angeordnet, die durch das Dämpfungselement 8, das das gesamte Behältnis 2 ausfüllt, mit der Elektronik 7 über Drähte 14 elektrisch kontaktiert ist.
Die Verbindungsfläche zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses 2 ist dicker als der Rest des Behältnisses 2. Diese verstärkten Verbindungsflächen sind dafür ausgelegt als Auflageflächen an einer Befestigung, einem Gerüst oder einem Tragwerk in einer Anwendung genutzt zu werden. Der Boden 3, der auch als Membran genutzt wird, ist dünner als 1 mm. Auf der einen Seite muss der Boden 3 elastisch genug sein, um den Auslenkbewegungen der piezoelektrischen Scheibe 5 nicht stark zu behindern. Auf der anderen Seite muss der Boden 3 eine gewisse Stabilität aufweisen, damit er bei einer äußeren Krafteinwirkung, wie etwa bei einer Bestrahlung mit Wasser zur Reinigung, keinen Schaden nimmt. Ein vorteilhafter Kompromiss wurde bei einer Stärke vom Boden 3 von weniger als 1 mm und mehr als 0,2 mm gefunden. Die Wände sind mindestens 1,5-fache so dick wie der Boden 3, sollten aber nach
Möglichkeit dicker als das 3-fache der Stärke des Bodens 3 sein. Eine so dicke Wandstärke ist geeignet die Übertragung von Vibrationen des Bodens 3 bzw. der Membran zu der
Verbindungsfläche zwischen oberen und unteren Teil des Behältnisses 2 zu mindern. Da die Verbindungsfläche eine Auflagefläche des Ultraschall-Wandlers 1 zu einer Befestigung sein kann, sollte gerade an diese Verbindungflächen
Vibrationen und Auslenkungen vermieden werden. Ansonsten können Vibrationen an eine angrenzende Befestigung, die zur Applikation gehört, übertragen werden. Die übertragenen
Vibrationen können wiederum reflektiert werden und daher im Ultraschall-Wandler 1 als Phantomsignal fälschlicherweise als ein Messsignal erfasst werden. Eine Wandstärke die mindestens das 1,5-fache der Stärke der Membran beträgt, mindert die Übertragung von Vibrationen vom Boden 3 an andere Teile des Behältnisses 2 und beugt so dem Problem vor.
In einer weiteren Ausführungsform des Behältnisses 2, die in Figur 4 gezeigt wird, besitzt das Behältnis 2 eine Stufe entlang der Öffnung in der Wand 4. Diese Stufe wird als
Auflagefläche für den Deckel 6 verwendet, so dass der Deckel 6 einfach in dem Behältnis 2 angeordnet werden kann. Der Deckel 6 kann fest und vibrationsgedämpft mit dem Behältnis 2 verbunden werden, indem eine Silikon- oder SchaumstoffSchicht zwischen Deckel 6 und Behältnis 2 als Verbundmaterial
verwendet wird. Eine weitere Schicht Silikon oder Schaumstoff kann an und in den Rand zwischen den eingebetteten Deckel 6 und dem Behältnis 2 gegeben werden, um den Ultraschallwandler 1 noch wasserresistenter zu gestalten.
Alle Ecken am Behältnis 2 sind mit einem kleinen Radius abgerundet. Dies liegt am Herstellungsverfahren des
Behältnisses 2, das in einem Fließpressverfahren hergestellt werden kann. Hierbei wird ein Aluminium-Butzen zwischen einem inneren Stempel und einer äußeren Matrize zu dem Behältnis 2 gepresst. Um das Behältnis 2 leicht aus dem Stempelwerkzeug zu lösen ist es vorteilhaft, scharfe Kanten und Ecken zu vermeiden und stattdessen an Winkeln Abrundungen einzuführen.
Figur 4 zeigt weiterhin einen Temperatursensor 20, der auf einer inneren Oberfläche des Behältnisses 2, auf dem Boden 3, angeordnet ist. Da die Schallgeschwindigkeit in einem Medium temperaturabhängig ist, wird auch eine Distanzmessung des Ultraschallwandlers 1, die auf der Laufzeit eines
Schallimpulses beruht, von der Umgebungstemperatur abhängen. Die lineare Korrekturformel für die Schallgeschwindigkeit in Luft kann cair= (331, 3+0, 606*v) *m/s lauten, wobei v die
Lufttemperatur in °C ist. Um eine korrekte Distanzmessung des Ultraschallwandlers 1 zu ermöglichen, wird dieser
Korrekturterm bei der Distanzmessung berücksichtigt. Somit ist ein korrekte Distanzmessung im Bereich von - 40 bis 85 °C realisierbar .
Durch die Anordnung des Temperatorsensors 20 im Inneren des Behältnisses 2 ist der Temperatursensor vor äußeren Gefahren geschützt. Durch den direkten Kontakt mit dem Behältnis 2, besitzt der Temperatursensor 20 einen guten thermischen
Kontakt mit der Umgebung, da die Wandstärke des Behältnisses 2 gering ist. Ein Behältnis 2 aus Metall kann insbesondere in Kombination mit einem Temperatursensor 20 vorteilhaft sein, da Metall eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzt. Überdies wird durch die Elektronik 7, die im Deckel 6
integriert ist, Abwärme produziert, wodurch eine
Temperaturmessung in deren Nähe des Deckels 6 verfälscht werden kann. Eine Anordnung des Temperatursensors 20 auf dem Boden 3 des Behältnisses 2 ist daher besonders nutzbringend, da die Wandstärke des Behältnisses 2 am Boden 3 besonders gering ist und eine möglichst große Distanz zwischen der Elektronik 7 und dem Temperatursensor 20 gebracht wird. Somit wird eine präzise Temperaturmessung ermöglicht, da der
Temperatursensor 20 am Boden einen guten thermischen Kontakt zur Umgebung hat und die Wärmemessung nicht durch eine
Wärmeerzeugung der Elektronik 7 verändert wird.
Als Temperatursensor 20 kommt beispielweise ein NTC-Sensor oder ein PTC-Sensor in Frage. Beide Arten von Sensoren weisen eine hohe Messgenauigkeit und Robustheit bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch auf. Beide Arten von
Temperatursensoren 20 können problemlos in elektrischen
Schaltungen integriert werden, und sind daher für den
Gebrauch im Ultraschallwandler 1 geeignet. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die piezoelektrische
Scheibe 5 als Temperatursensor 20 verwendet werden. Da die piezoelektrische Scheibe 5 aus einem piezoelektrischen
Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, besteht, bildet sie zwischen den Elektroden eine Kapazität. Diese Kapazität ändert sich abhängig von der
Umgebungstemperatur, da sich das piezoelektrische Material bei einer positiven Temperaturänderung ausdehnt und bei einer negativen Temperaturänderung zusammenzieht. Ausgehend davon, wird auch der Abstand der Elektroden zueinander, und damit auch die Kapazität der piezoelektrischen Scheibe 5, abhängig von der Umgebungstemperatur verändert. Durch ein Auslesen der Kapazität der piezoelektrischen Scheibe 5, mit Hilfe der im Deckel 6 integrierten Elektronik 7, kann somit auf die
Umgebungstemperatur geschlossen werden und folglich die
Distanzmessung des Ultraschallwandlers 1 auf Basis der
Umgebungstemperatur korrigiert werden.
Idealerweise ist das Behältnis 2 aus einem elektrisch
leitenden Material hergestellt, da so die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandler 1 erhöht wird. Insbesondere die piezoelektrischen Scheibe 5 und die auf der Innenseite des Deckels 6 angeordnete Elektronik 7 können durch den Einsatz von leitenden Materialien im Behältnis 2 gegenüber äußeren elektromagnetischen Störsignalen
abgeschirmt werden. In kleinen und auch engen Applikationen, wie beispielsweise Drohnen oder autonomen Robotern, ist häufig eine große Anzahl an Elektromotoren verbaut, die den Ultraschall-Wandler 1 beeinträchtigen können. Metalle wie Al, Cu, Sn, Fe, Stahl aber auch Legierungen sind passende
leitende Materialien für das Behältnis 2. Die Funktion des Bodens 3 als Membran erfordert eine relativ hohe
Flexibilität. Auf Grund dessen sind leitende Materialien mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wie Al und Sn ausgezeichnet geeignet .
Das Behältnis 2 kann zusätzlich optimiert werden, indem die innere Oberfläche partiell aufgeraut und/oder geglättet wird. Das Aufrauen einer Oberfläche bewirkt, dass Werkstoffe stärker daran haften. Jedoch wird auch Ultraschall an einer rauen, unebenen Fläche stärker gestreut. Eine Glättung der Oberfläche mindert eine Haftung an der Oberfläche, streut indessen auftreffenden Ultraschall weniger. Daher ist es günstig, die Oberfläche des Bodens 3 angrenzend zur
piezoelektrischen Scheibe 5 aufzurauen, damit diese über die Klebeschicht 13 besser hält. Weiterhin ist die übrige Fläche des Bodens 3 im Inneren des Behältnisses 2 geglättet, damit eines Dämpfungselements 8 an diesen Flächen nicht haftet und die Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe 5 durch das Dämpfungselement 8 nicht allzu stark behindert wird. Optional kann die innere Oberfläche des Behältnisses 2 ebenfalls aufgeraut werden, um den Ultraschall an dieser Oberfläche stärker zu streuen. Geeignete Verfahren zur Aufrauhung sind etwa ein Sandstrahl-, oder Ätzprozesse sowie Schleif-, oder Beschichtungsprozesse zur Glättung der Oberfläche
Weiterhin kann eine äußere Oberfläche des Bodens 3
beschichtet, eloxiert oder lackiert werden. Einerseits werden dadurch mögliche Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche beseitigt, die möglichweise die Distanzmessung stören.
Andererseits kann die Fläche an eine mögliche Anwendung angepasst werden, da die Farbe oder das Oberflächenmaterial passend zu der Umgebung gestaltet werden kann, so dass der Ultraschwallwandler 1 nicht heraussticht. Es ist auch
möglich, die komplette äußere Oberfläche des Behältnisses 2 zu eloxieren oder zu anodisieren. Die äußere Oberfläche des Behältnisses 2 ist Umwelteinflüssen, wie etwa Salznebel im Straßenverkehr, besonders stark ausgesetzt. Durch eine
Anodisieren der äußeren Oberfläche wird das Behältnis 2 vor Korrosion schützt.
Auch ein Anodisieren der inneren Oberfläche des Behältnis 2 kann wünschenswert sein, um das Behältnis 2 gegenüber
chemischen Reaktionen, beispielsweise durch ein Lösungsmittel im Dämpfungselement 8 oder der Klebemittel in der
Klebeschicht 13, abzuschirmen. Für einen optimalen Schutz kann das Behältnis 2 sowohl auf der äußeren Oberfläche als auch auf der inneren Oberfläche anodisiert werden.
Ein Nachteil des Anodisierens der inneren Oberfläche des Behältnisses 2 ist, dass das Behältnis 2 nicht mehr
elektrisch kontaktierbar und somit nicht mehr einfach für elektrische Verbindung, beispielsweise zu einem
Referenzpotential wie der Masse, verwendet werden kann. Daher ist es vorteilhaft, zusätzlich eine leitende Schicht auf der inneren Oberfläche des Behältnisses 2 aufzubringen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die anodisierte innere Oberfläche des Behältnisses 2 an zumindest einer Stelle gezielte Durchbrechungen der Anodisierung aufweisen. Mit anderen Worten es können gezielt Durchbrechungen der
elektrisch nicht leitfähigen Anodisierungsschicht der inneren Oberfläche vorgesehen sein. Diese Durchbrechungen können eine elektrisch leitfähige Kontaktierung des Behältnisses 2 ermöglichen. Beispielsweise kann das Behältnis 2 über die zumindest eine Durchbrechung mit einer zusätzlich
aufgebrachten leitenden Schicht elektrisch kontaktiert sein. Alternativ kann das Behältnis 2 über einen in der
Durchbrechung angebrachten Lötkontakt elektrisch kontaktiert werden .
Über die Einbringung einer zusätzlichen leitfähigen Schicht, der gezielten Durchbrechung der Anodisierung oder einer
Kombination daraus kann eine elektrische Verbindung von verbauten elektronischen Komponenten, wie etwa der
piezoelektrischen Scheibe 5, dem Temperatorsensor 20 oder der Elektronik 7, mit einem Referenzpotential durchgeführt werden sowie die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall- Wandlers 1 bzw. die elektromagnetische Abschirmung der
Elektronik 7 im Behältnis 2 ähnlich gut oder gleich gut erzielt werden wie im Falle eines nicht an den inneren
Oberflächen anodisierten Behältnisses 2.
In Figur 5 eine Explosionsansicht einer weiteren
Ausführungsform des Ultraschall-Wandlers 1, ähnlich zu der in Figur 1 gezeigten Explosionsansicht, gezeigt. Im Gegensatz zur Figur 1 wird der Deckel 6 in dieser Ausführungsform zwischen zwei Silikonringen 22 angeordnet. Die Silikonringe 22 dienen in erster Linie zur mechanischen Entkopplung des Deckels 6 vom Behältnis 6, aber auch als Dichtung, um etwa ein Vergussmasse nicht in das Innere des Behältnisses 6 eindringen zu lassen. Das Dämpfungselement 8 hat auf einer Oberfläche, die dem Deckel 6 zugewandt ist, Ausnehmungen, in die die Elektronik 7, die aus dem Deckel 6 ragt,
untergebracht werde kann. Als elektrischer Anschluss für den Ultraschallwandler werden in dieser Ausführungsform drei Pins 21 bereitgestellt.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt, der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform des Ultraschallwandlers 1, wobei die
Darstellung ähnlich zur Darstellung von Figur 3 ist. Die Form des Behältnisses 2 entspricht der Form des Behältnisses 2 aus Figur 4. Der Deckel 6 ist beabstandet zur Öffnung des
Behältnisses 2 und damit im Behältnis 2 angeordnet. Auf diese Weise wird die Elektronik 7 im Deckel 6 vor mechanischer und elektromagnetischer Beanspruchung geschützt. Im Zwischenraum, zwischen dem Deckel 6, der Öffnung und der Wand des
Behältnisses 2 kann eine Vergussmasse hineingegeben werden, die den Deckel 6 vibrationsdämpfend fixiert im Deckel 6 fixiert und Schutz bietet. Durch den Silikonring 22 zwischen dem Deckel 6 und dem Dämpfungselement 8 hat die Vergussmasse keinen direkten Kontakt mit dem Dämpfungselement 8.
In Figur 7 wird eine perspektivische Ansicht der in Figur 5 und Figur 6 gezeigten Ausführungsform des Ultraschallwandlers 1 gezeigt. Die drei Pins 21 sind mit einem Verbindungsstück 23 miteinander steif verbunden. Die Pins 21 sind jeweils an einem Ende, das auf dem Deckel 6 aufliegt, abgebogen und so angeordnet, dass sie einen stabilen Stand als Dreifuß haben. Jedes der drei Pins 21 steht auf einer elektrisch leitenden Kontaktfläche 24, die als ein Teil der Elektronik 7 im Deckel 6 angesehen werden kann. Die drei Pins 21 können jeweils als Anschluss für die Versorgungsspannung, als Verbindung mit einem Referenzpotential oder als I/O Anschluss 9 genutzt werden. Da der Deckel 6 von der Öffnung des Behältnisses 2 beabstandet ist, kann eine auf dem Deckel 6 aufgetragene Vergussmasse zu Fixierung der Pins 21 auf dem Deckel 6 verwendet werden. Die drei Pins 21 sind so ausgelegt, dass sie gleichzeitig als elektronischer Anschluss und zur mechanischen Befestigung des Ultraschall-Wandlers verwendet werden können.
Bezugszeichenliste
1 Ultraschall-Wandler
2 Behältnis
3 Boden
4 Wand
5 piezoelektrische Scheibe
6 Deckel
7 Elektronik
8 Dämpfungselement
9 digitale I/O Schnittstelle
10 adhäsives Material
11 vibrationsdämpfende Komponente
12 Leiterplatte
13 Klebeschicht
14 Draht
15 Ausnehmung
16 Durchgang
17 integrierte Schaltung
18 analoge Masseleitung
19 digitale Masseleitung
20 Temperatursensor
21 Pin
22 elastischer Ring/Silikonring
23 Verbindungsstück

Claims

Ansprüche
1. Ein Ultraschall-Wandler (1) aufweisend:
ein Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und einer Wand ( 4 ) ;
eine piezoelektrische Scheibe (5),
wobei die piezoelektrische Scheibe (5) innerhalb des Behältnisses (2) auf dem Boden (3) angeordnet ist;
einen Deckel (6),
wobei der Deckel (6) das Behältnis (2) verschließt;
Elektronik (7), die im Deckel (6) integriert ist, wobei die Elektronik (7) die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist, die
piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.
2. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein Dämpfungselement (8) zwischen dem Boden (3) und dem Deckel (6) angeordnet ist,
und wobei das Dämpfungselement (8) das Behältnis (2)
ausfüllt .
3. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Deckel (6) mit einem wiederverschließbaren
Befestigungsmechanismus fixiert wird.
4. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Deckel (6) beabstandet zur Öffnung des Behältnisses (2) im Behältnis (2) angeordnet ist.
5. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Deckel (6) mindestens zwei Ausnehmungen (15) aufweist .
6. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei zumindest in einer der Ausnehmungen (15) ein Durchgang (16) für einen Draht (14) gebildet ist, wobei die
piezoelektrische Scheibe (5) mit der Elektronik (7) durch den Draht (14) elektrisch verbunden ist.
7. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Behältnis (2) eine Stufe entlang der Öffnung in einer Wand (5) aufweist.
8. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Elektronik (7) eine digitale I/O Schnittstelle (9) auf einer Außenseite des Deckels (6) aufweist.
9. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Elektronik (7) Pins (21) auf einer Außenseite des Deckels (6) aufweist.
10. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Boden (3) dünner als 1 mm ist.
11. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Stärke der Wände mindestens das 1,5-fache der Stärke des Bodens (3) beträgt.
12. Ein Ultraschall- Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Behältnis (2) aus einem elektrisch leitenden
Material besteht.
13. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei eine innere Oberfläche des Behältnisses (2) partiell aufgeraut und/oder geglättet ist.
14. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Behältnis (2) eloxiert oder anodisiert ist.
15. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine innere Oberfläche des Behältnisses (2) eloxiert oder anodisiert ist und eine äußere Oberfläche unbehandelt ist,
oder wobei eine innere Oberfläche des Behältnisses (2) und eine äußere Oberfläche des Behältnisses (2) eloxiert oder anodisiert sind, oder
wobei eine äußere Oberfläche des Behältnisses (2) eloxiert oder anodisiert ist und eine innere Oberfläche unbehandelt ist .
16. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei eine innere Oberfläche des Behältnisses (2) eine
Anodisierungsschicht aufweist, und
wobei die Anodisierungsschicht eine Durchbrechung aufweist.
17. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei über die Durchbrechung eine elektrische Verbindung der piezoelektrischen Scheibe (5) und/oder der Elektronik (7) mit einem Referenzpotential gebildet wird.
18. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei eine innere Oberfläche des Behältnisses (2) eine leitende Schicht aufweist.
19. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei ein Teil des Bodens (3) eine dickere Wandstärke
aufweist als die zur piezoelektrischen Scheibe (5)
angrenzende Bodenfläche.
20. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei eine Fläche des Behältnisses (2), die parallel zum Boden (3) verläuft und nicht mit dem Boden (3) überlappt, eine dickere Wandstärke aufweist als die zur
piezoelektrischen Scheibe (5) angrenzende Bodenfläche.
21. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Behältnis (2) auf einer äußeren Oberfläche der Flächen, die eine dickere Wandstärke aufweisen, ein adhäsives Material (10) aufweist.
22. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses (2) vibrationsdämpfende Komponenten (11) angeordnet sind.
23. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Deckel (6) eine Leiterplatte (12) ist.
24. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Leiterplatte (12) flexibel ist.
25. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Leiterplatte (12) in eine plastische Masse
eingegossen ist.
26. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 23 bis 25,
wobei die Leiterplatte (12) elektrische Komponenten aufweist, und
wobei die elektrischen Komponenten auf einer Fläche der
Leiterplatte (12), die zur piezoelektrischen Scheibe (5) zeigt, angeordnet sind.
27. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 23 bis 26,
wobei die Leiterplatte (12) eine integrierte Schaltung (17) mit einer Ladungspumpe aufweist.
28. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 23 bis 27,
wobei die Leiterplatte (12) eine analoge Masseleitung (18) und eine digitale Masseleitung (19) aufweist, und
wobei die analoge Masseleitung (18) und die digitale
Masseleitung (19) so ausgestaltet sind, dass eine
elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der digitalen Masseleitung (19) und der analogen Masseleitung (18)
unterdrückt wird.
29. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 28, wobei die analoge Masseleitung (18) und die digitale
Masseleitung (19) auf entgegengesetzten Seiten der
integrierten Schaltung (17) angeordnet sind.
30. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrische Scheibe (5) als Temperatursensor (20) verwendet wird.
31. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Ultraschall-Wandler (1) einen Temperatursensor (20) aufweist .
32. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach Anspruch 31,
wobei der Temperatursensor (20) ein NTC-Sensor oder ein PTC- Sensor aufweist.
33. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 31 und 32,
wobei der Temperatursensor (20) auf im Inneren des
Behältnisses (2) angeordnet ist.
34. Ein Ultraschall-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 33,
wobei der Ultraschall-Wandler (1) dazu ausgestaltet ist, eine Temperaturabhängigkeit von gemessenen Distanzen auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auf Basis von Messwerten des Temperatursensors (20) auszugleichen.
35. Gerät aufweisend einen Ultraschall-Wandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34,
wobei das Gerät dazu ausgestaltet ist, auf Basis eines von dem Ultraschall-Wandler (1) ermittelten Signals eine Distanz des Geräts zu einem Objekt zu messen.
36. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers
(1), aufweisend die Schritte:
Herstellen eines Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und einer Wand (4) in einem Fließpressverfahren;
Befestigen einer piezoelektrische Scheibe (5) auf dem Boden (3) des Behältnisses;
Verschließen des Behältnisses (2) mit einem Deckel (6), der eine integrierte Elektronik (7) aufweist,
wobei die Elektronik (7) die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist, die
piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.
37. Verfahren gemäß Anspruch 36,
wobei vor dem Verschließen des Behältnisses (2) ein erster Silikonring (22) auf einer vom Boden (3) wegweisenden
Auflagefläche des Behältnisses (2) angeordnet wird und ausgehärtet wird,
und wobei bei dem Schritt des Verschließens des Behältnisses
(2) der Deckel (6) auf dem ersten Silikonring (22) angeordnet wird .
38. Verfahren gemäß Anspruch 37,
wobei ein zweiter Silikonring (22) auf der Seite des Deckels (6) angeordnet wird, die vom Boden (3) wegweist, und wobei der Deckel (6) zwischen dem ersten und dem zweiten
Silikonring (22) fixiert wird.
39. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 37 und 38,
wobei die Elektronik (7) mit der piezoelektrischen Scheibe (5) über einen Draht (14) elektrisch kontaktiert ist, der mit der Elektronik (7) verlötet ist.
40. Verfahren gemäß Anspruch 39,
wobei der Deckel (6) zumindest eine Ausnehmung (15) aufweist, in der der Draht (14) angeordnet wird,
wobei in dem Schritt des Verschließens des Behältnisses (2) der Deckel (6) durch eine Translationsbewegung auf das
Behältnis (2) aufgeschoben wird und anschließend der Draht (14) mit der Elektronik (7) verlötet wird.
41. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 36 bis 40,
wobei ein flüssiges Füllmaterial in einen Hohlraum zwischen dem Deckel (6) und dem Boden (3) eingefüllt wird, und wobei das flüssige Füllmaterial zu einem Dämpfungselement (8) ausgehärtet wird.
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