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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlereinrichtung, insbesondere einen Ultraschallsensor, für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse, einer Ultraschallmembran, einem Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements, wobei die elektrischen Leitungselemente über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen einer derartigen Ultraschallwandlereinrichtung an deren Piezoelement.
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Stand der Technik bei Ultraschallsensoren zur Distanzmessung ist die Anwendung des Biegewandlerprinzips. Dabei dient ein Piezoelement, das auf eine biegesteife Membran montiert ist, der elektromechanischen Energiewandlung. Das Piezoelement besteht im Allgemeinen aus einem keramischen Werkstoff der auf den flächigen Seiten mit Metallisierungen beschichtet ist, die als Elektroden dienen. Diese Elektroden müssen elektrisch mit einer Steuerelektronik kontaktiert werden. Im Allgemeinen wird dies durch Lötverbindung zwischen Leitungselementen der Steuerelektronik realisiert.
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Dokument
DE 10 2013 022 063 A1 zeigt einen entsprechenden Ultraschallsensor für ein Fahrzeug. Dieser weist ein Gehäuse, eine Ultraschallmembran, ein Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordnete elektrische Leitungselemente zur elektrischen Beschaltung des Piezoelements auf. Zwischen einer Platine der Steuerelektronik und dem Piezoelement ist eine Dämpfungsschicht vorgesehen. Die elektrischen Leitungselemente sind über eine jeweilige Lötverbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden. Eine solche Lötverbindung hat den Nachteil, dass beim Löten ein Flussmittel benötigt wird. Dieses Flussmittel breitet sich beim Löten um die Lötstelle aus und verhindert durch Platin-Vergiftung eine Haftung des Dämpfungsschaums auf der Piezokeramik und beeinträchtigt die Vernetzung des Dämpfungsschaums in der Grenzschicht der Dämpfungsschicht. Da die Verteilung des Flussmittels nicht kontrollierbar ist, ergibt sich eine sehr hohe Fertigungsstreuung. Zudem muss die Beeinträchtigung durch das Flussmittel durch eine Erhöhung der Schaummasse ausgeglichen werden, um die erforderliche mechanische Dämpfung über unkontaminierte Stellen gewährleisten zu können. Diese Erhöhung wirkt sich negativ auf die effektive Masse aus. Da der entstehende Lötpunkt zudem eine sehr hohe Masse aufweist und sich ebenfalls negativ auf die schwingende effektive Masse auswirkt, weist die Ultraschallwandlereinrichtung eine verminderte Dynamik auf.
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DE 10 2011 077 553 A1 offenbart einen Ultraschallwandler mit einem Piezoelement, einer Leiterplatte und einem Membrantopf. Das Piezoelement ist an einer vorderen Stirnseite des Membrantopfs befestigt und über mindestens zwei Leitungen mit Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden. Eine Ausführungsform des Ultraschallwandlers sieht vor, dass die Leitungen mit der Leiterplatte und/oder mit dem Piezoelement über Thermokompressionsschweißkontakte, über Lötkontakte oder über andere stoffschlüssige Kontakte elektrisch verbunden sind. Als weitere stoffschlüssige Verbindungstechnik ist beispielsweise das Widerstandsschweißen genannt.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallwandlereinrichtung mit einer elektrischen Kontaktierung des Piezoelements sowie ein entsprechendes Kontaktierungsverfahren anzugeben, bei denen gleichzeitig eine gute Dämpfung sowie eine gute und stabile Kontaktierung des Piezoelements gewährleistet werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Ultraschallwandlereinrichtung für ein Fahrzeug angegeben, die ein Gehäuse, eine Ultraschallmembran, ein Piezoelement zur Schwingungsanregung der Ultraschallmembran und im Innenraum des Gehäuses gehäusefest angeordnete elektrische Leitungselementen zur elektrischen Beschaltung des Piezoelements aufweist, wobei diese elektrischen Leitungselemente über eine jeweilige elektrische Verbindung mit Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass jede dieser Verbindungen von einem lot- und flussmittelfreien Schweißkontakt gebildet ist. Die Ultraschallwandlereinrichtung ist insbesondere ein Ultraschallsensor. Jedes oder zumindest eines der elektrischen Leitungselemente weist einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt und einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt auf. Eine derartige Ausgestaltung der Leitungselemente ist stabil und hat sich bewährt. Erfindungsgemäß ist ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts als Schleife geformt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine wohldefinierte Flexibilität, die die Durchführung des Schweißprozesses vereinfacht.
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Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallwandlereinrichtung ist die elektrische Verbindung der Piezoelektroden zu den Leitungselementen beziehungsweise einer Steuerelektronik optimiert, um die Beeinträchtigung der anderen Komponenten des Ultraschallwandlers zu eliminieren und die Masse der Verbindung zu minimieren.
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Statt einer Lötverbindung sollte die elektrische Kontaktierung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt sein. Mit anderen Worten sind die Schweißkontakte dabei als Reibschweiß-Kontakte oder Punktschweißkontakte ausgebildet. Beide genannten Verfahren benötigen keine zusätzlichen Hilfsstoffe, wie etwa Flussmittel, die nach dem Fertigungsschritt entweder aufwendig entfernt werden müssen oder die eine wesentliche Beeinträchtigung der benachbarten Bauteile wie zum Beispiel eines eingesetzten Dämpfungsschaums zur Folge haben. Beide Verfahren arbeiten lediglich mit einem Draht und kommen ohne zusätzliche Verbindungsstoffe wie Lot aus. Dadurch ist die Masse dieser Verbindung sehr gering und die Dynamik des Ultraschallwandlers gegenüber der eines Wandlers mit Lötverbindung erhöht. Die Dynamik eines Ultraschallwandlers beschreibt das Ein- und Ausschwingverhalten des Systems und damit dessen Schallwandlungseffizient im transienten Betrieb. Je geringer die effektive Masse des Biegeschwingers gestaltet ist, desto höher ist dessen Dynamik.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein vom ersten Leitungsabschnitt gebildeter Endbereich als Kontaktelement ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Leitungselemente ist einfach herstellbar und zweckmäßig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Leitungsabschnitt als Stanzteil und/oder der zweite Leitungsabschnitt als Litze ausgebildet ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Schweißkontakte zwischen der jeweiligen Elektrode des Piezoelements und dem zweiten Leitungsabschnitt des jeweiligen elektrischen Leitungselements gebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitungselemente im Bereich der Schweißkontakte parallel ausgerichtet sind. Dies vereinfach die benötigte Ausrichtung des entsprechenden Schweißgerätes.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselementen einer vorstehend genannten Ultraschallwandlereinrichtung an dessen Piezoelement ist vorgesehen, dass jedes der elektrischen Leitungselemente mittels eines Schweißgerätes an die Elektroden des Piezoelements lot- und flussmittelfrei angeschweißt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Kontaktierung dabei mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Spitze des Schweißgerätes durch eine im Gehäuse ausgebildete Montageöffnung in den Innenraum hineingesteckt wird und dort jedes der dort wohldefiniert angeordneten elektrischen Leitungselemente mittels des Schweißgerätes mit je einer Elektrode des Piezoelements verschweißt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 Die Kontaktierung eines Piezoelements einer Ultraschallwandlereinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
- 2 Die Ultraschallwandlereinrichtung in einer Darstellung senkrecht zur Darstellung in 1 und
- 3 Eine alternative Form der Kontaktierung eines Piezoelements mit abweichend ausgestalteten Elektroden.
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In 1 ist ein Schritt einer Fertigung beziehungsweise Montage eines Ultraschallwandlers 10 gezeigt. Ein solcher Ultraschallwandler wird beispielsweise als Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug genutzt. Der fertige Ultraschallwandler 10 ist dabei zur Montage an einem Verkleidungsteil eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, beispielsweise an einem Stoßfänger. Der Ultraschallwandler 10 weist ein im Folgenden nur als Gehäuse 12 bezeichnetes Wandlergehäuse auf, in welchem die Komponenten des Ultraschallwandlers 10 geschützt untergebracht sind. Über das Gehäuse 12 kann der Ultraschallwandler 10 an dem Verkleidungsteil befestigt werden. Hierbei wird das Gehäuse 12 beispielsweise mit einer Halterung verbunden und über die Halterung an dem Verkleidungsteil befestigt. Das Gehäuse 12 ist ein- oder mehrstückig ausgebildet und besteht beispielsweise aus Kunststoff.
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Der Ultraschallwandler 10 weist an einer in Senderichtung (Pfeil 14) weisenden Frontseite 16 eine Ultraschallmembran 18 auf. An der Frontseite 16 ist weiterhin in dem Gehäuse 12 eine frontseitige Öffnung 20 ausgebildet, die zusammen mit einer an einer gegenüberliegenden Rückseite 22 des Gehäuses 12 ausgebildeten rückseitigen Montageöffnung 24 eine Durchgangsöffnung bildet. Im nicht-fertigmontierten Zustand des Ultraschallwandlers 10 ist ein Innenraum 26 des Gehäuses 12 also lediglich in radialer Richtung und somit senkrecht zur Senderichtung 14 durch das Material des Gehäuses 12 begrenzt. An dem der Frontseite 16 zugewandten Ende 28 des Gehäuses 12 ist ein umlaufendes Flanschelement 30 mit einer radial nach innen weisenden Kante angeordnet, welches die frontseitige Öffnung 20 radial begrenzt.
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Das Gehäuse 24 weist außerdem einen Stecker 32 auf, über welchen der Ultraschallwandler 10 mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) elektrisch gekoppelt werden kann.
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Die Ultraschallmembran 18 ist insgesamt topfförmig ausgebildet und besteht zum Beispiel aus Aluminium. Sie weist einen Membranboden 34, welcher die Frontseite 16 des Wandlers 10 bildet, wie auch einen zylinderförmigen umlaufenden Membranmantel 36 auf. An einer der Frontseite 34 gegenüberliegenden Rückseite 38 der Membran 18 ist diese offen, weist also eine Ausnehmung auf. An dieser Rückseite 38 ist an dem Membranmantel 36 außerdem ein radial nach außen weisender Kragen 40 der Membran 18 ausgebildet.
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An einer dem Innenraum 26 zugewandten Rückseite des Membranbodens 34, also in der Ausnehmung, ist ein Piezoelement 42 angeordnet, welches zum Anregen der Ultraschallmembran 18 eingerichtet ist. Das Piezoelement 42 wird über Leitungselemente 44, 46 elektrisch beschaltet, von denen hier in der Schnittdarstellung der 1 nur eines sichtbar ist. Jedes der Leitungselemente 44, 46 weist einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt 48 mit einem elektrischen Kontaktelement 50 sowie einen als Litze ausgestalteten vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 auf. Dabei erstreckt sich der gehäusefeste Leitungsabschnitt 48 aus dem Inneren der topfförmigen Membran 18 heraus in Richtung einer Wand des Gehäuses 12, wo sie über ein Zwischenelement 54 verankert ist. An den verankerten Teil des Leitungsabschnitts 48 schließt sich bei jeder der Leitungselemente 44, 46 das steckerförmige Kontaktelement 50 an. Dieses dient zur Kontaktierung einer (nicht gezeigten) Platine einer Steuerelektronik zum Ansteuern des Piezoelements 42. Am gegenüberliegenden Ende des jeweiligen ersten Leitungsabschnitts 48 schließt sich zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 42 der biegsame zweite Leitungsabschnitt 52, also die Litze an.
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Der jeweilige zweite Leitungsabschnitt 52 eines jeden Leitungselements 44, 46 wird mittels eines Schweißgerätes 56, dessen Spitze in 1 gezeigt ist, an je eine der in der 2 gezeigten Elektroden 58, 60 des Piezoelements 42 lot- und flussmittelfrei angeschweißt. Es entsteht also eine lot- und flussmittelfreie Schweißverbindung 62 zwischen je einer Elektrode 58, 60 des Piezoelements 42 und je einem biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 eines jeweiligen Leitungselements 44, 46. Das Schweißgerät 56 wird zum Erreichen der Schweißposition entlang der Durchgangsöffnung bewegt (Doppelpfeil 64). Die erwähnte, jedoch nicht gezeigte Platine der Steuerelektronik erstreckt sich zwischen den Kontaktelementen 50 der Leitungselemente 44, 46 und weiteren Kontaktelementen 66 der Wandlereinrichtung 10, die den Stecker 32 kontaktieren.
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Die 2 zeigt die Rückseite 22 der Ultraschallwandlereinrichtung 10 in einer Darstellung senkrecht zur Darstellung in 1. Dabei gibt die im Gehäuse 12 ausgebildete Montageöffnung 24 den Blick in den Innenraum 26 mit der Rückseite der Membran 18, dem Piezoelement 42 und seinen Elektroden 58, 60 und den Leitungselementen 44, 46 frei. Auch bei dieser Darstellung ist klar erkennbar, dass jedes der beiden elektrischen Leitungselemente 44, 46 einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt 48 sowie einen vergleichsweise biegsamen zweiten Leitungsabschnitt 52 aufweist, der mit den Elektroden 58, 60 verschweißt wird beziehungsweise verschweißt ist. Bei beiden Leitungselementen 44, 46 ist der erste Leitungsabschnitt 48 als Stanzteil beziehungsweise Stanzgitter und der zweite Leitungsabschnitt 52 als eine an das Stanzteil angeschweißte Litze ausgebildet. Ein Teilabschnitt des zweiten Leitungsabschnitts jeder der Leitungselemente 44, 46 ist als Schleife 68 geformt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine wohldefinierte Flexibilität, die die Durchführung des Schweißprozesses vereinfacht.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung beziehungsweise zum Zusammenbau des Ultraschallsensors 20 anhand der 1 und 2 näher erläutert:
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Zunächst wird die Membran 18 mit dem Piezoelement 42 und das Gehäuse 12 bereitgestellt. Die Membran 18 wird vor der Montage extern und somit an der Außenseite mit einem Oberflächenschutz beschichtet. Das Piezoelement 42 ist an der Rückseite 38 des Membranbodens 34 positioniert, angedrückt und verklebt. Es kann hier beispielsweise ein Flüssigkleber verwendet werden, optional auch ein kalt aushärtender Klebstoff, welcher bevorzugt unter Luftabschluss aushärtet. Alternativ kann auch ein Klebepad genutzt werden.
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Im Gehäuse 12 sind die elektrischen Leitungselemente 44, 46 bereits vormontiert. Deren flexible zweite Leitungsabschnitte 52 weisen in Richtung der frontseitigen Öffnung 20.
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In einem ersten Schritt wird die Membran 18 in die in 1 gezeigte Montageposition eingebaut und mittels des Flanschelements 30 fixiert. Dabei weist die Rückseite 38 der Membran 18 mit der Ausnehmung in Richtung der frontseitigen Öffnung 20.
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In einem weiteren Schritt werden die gehäusefest angeordneten elektrischen Leitungselemente 44, 46 mittels des vorstehend genannten Schweißgerätes 56 an die Elektroden 58, 60 des Piezoelements 42 lot- und flussmittelfrei angeschweißt. Die elektrische Kontaktierung wird dabei mittels einer Reibschweißung oder einer Draht-Bondverbindung ausgeführt. Dazu wird die Spitze des Schweißgerätes 56 durch die im Gehäuse 12 ausgebildete Montageöffnung 24 in den Innenraum 26 hineingesteckt und dort der als Litze ausgebildete flexible zweite Leitungsabschnitt 52 jedes der dort wohldefiniert angeordneten elektrischen Leitungselemente 44, 46 mittels des Schweißgerätes 56 mit je einer Elektrode 58, 60 des Piezoelements 42 verschweißt.
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In den Innenraum 26 einschließlich der Ausnehmung in der Membran 18 kann dann ein Verguss eingebracht werden, wie beispielsweise ein Einkomponentenschaum (Montageschaum) und/oder ein Einkomponenten-Silikonverguss.
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Es wird dann die (nicht gezeigte) Platine auf die Kontaktelemente 50, 66 aufgesteckt. Anschließend kann ebenfalls der Raum zwischen der Platine und der Montageöffnung 24 mit einem Verguss ausgefüllt werden, wie beispielsweise einem Einkomponentenschaum und/oder einem Einkomponenten-Silikonverguß. Ergänzend oder alternativ zum Verguss kann auch ein Kunststoffdeckel, insbesondere in Form einer Kunststofffolie, verwendet werden (nicht gezeigt), um die rückseitige Montageöffnung 24 zu verdecken. Dieser Kunststoffdeckel kann beispielsweise mit dem Gehäuse 12 mittels Ultraschall verschweißt werden.
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Die 3 zeigt eine alternative Form der Kontaktierung eines Piezoelements 42 mit abweichend ausgestalteten Elektroden 58, 60 durch die Endabschnitte der als Litzen ausgebildeten flexiblen zweiten Leitungsabschnitte 52 der elektrischen Leitungselemente 44, 46. Dabei sind die Endabschnitte der flexiblen zweiten Leitungsabschnitte 52 der Leitungselemente 44, 46, also die Bereiche der Schweißkontakte 62, parallel ausgerichtet und eine Begrenzungslinie zwischen den beiden Elektroden 58, 60 verläuft zwischen den Endabschnitten parallel zu diesen. Dadurch ist es besonders einfach möglich, beide Schweißkontakte 62 mit nur einem Schweißschritt zu erstellen.
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Bezugszeichenliste
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| Ultraschallwandlereinrichtung |
10 |
| Gehäuse |
12 |
| Pfeil (Senderichtung) |
14 |
| Frontseite (Sensor) |
16 |
| Ultraschallmembran |
18 |
| frontseitige Öffnung (Gehäuse) |
20 |
| Rückseite |
22 |
| Montageöffnung |
24 |
| Innenraum |
26 |
| frontseitiges Ende |
28 |
| Flanschelement |
30 |
| Stecker |
32 |
| Membranboden |
34 |
| Membranmantel |
36 |
| Rückseite (Membran) |
38 |
| Kragen |
40 |
| Piezoelement |
42 |
| Leitungselement |
44 |
| Leitungselement |
46 |
| erster Leitungsabschnitt |
48 |
| Kontaktelement |
50 |
| zweiter Leitungsabschnitt |
52 |
| Zwischenelement |
54 |
| Schweißgerät |
56 |
| Elektrode |
58 |
| Elektrode |
60 |
| Verbindungskontakt |
62 |
| Doppelpfeil |
64 |
| Kontaktelement, weiteres |
66 |
| Schleife |
68 |
