Membrantopf für einen Ultraschallwandler und Ultraschallwandler

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Membrantopf für einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen

Ultraschallwandler mit einem erfindungsgemäßen Membrantopf.

Ein Membrantopf für einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des

Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2006 050 037 A1 der

Anmelderin bekannt. Bei der Ausbildung bzw. konstruktiven Gestaltung eines derartigen Membrantopfs sind eine Reihe von Vorgaben bzw. Eigenschaften zu erfüllen. Diese betreffen beispielsweise die Möglichkeit, den Membrantopf bei kompakter Ausbildung möglichst kostengünstig herzustellen zu können, die Eigenschaft des Membrantopfs, die Schallschwingungen in einer gewünschten Richtung ausstrahlen zu können sowie auch die Eigenschaft, dass möglichst wenig Energie von dem Membrantopf über das den Membrantopf aufnehmende Gehäuse des Ultraschallwandlers auf die Karosseriestruktur eines Fahrzeugs übertragen wird, um beispielsweise den Empfang von Störsignalen oder Ähnliches zu vermeiden. Darüber hinaus muss der Membrantopf im Bereich seines Membranbodens dazu ausgebildet sein, ein Wandlerelement, üblicherweise in Form eines Piezoelements, aufzunehmen. Zur möglichst optimalen Erfüllung der oben genannten Vorgaben ist es bei dem bekannten

Membrantopf vorgesehen, dass dieser bei einer runden Außenkontur eine ovalförmige Innenkontur aufweist, die im Bereich der beiden längeren Seiten der ovalförmigen Innenkontur radial (in Bezug auf eine Längsachse des

Membrantopfs) nach außen ragende, kreisbogenförmige Abschnitte aufweist. Durch die letztgenannten kreisbogenförmigen Abschnitte ist insbesondere die

Anordnung bzw. Aufnahme des angesprochenen Wandlerelements möglich. Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Membrantopf für einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die eingangs genannten Vorgaben bzw. gewünschten Eigenschaften hinsichtlich einer möglichst guten akustischen Entkopplung des Membrantopfs von dem Gehäuse, d.h. die

Vermeidung der Übertragung von Schallwellen auf die Karosseriestruktur, sowie eine gewünschte Ausstrahlcharakteristik der Ultraschallwellen bei gleichzeitig relativ kostengünstiger Herstellbarkeit des Membrantopfs optimiert sind.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Innenkontur der

Ausnehmung des Membrantopfs in einer senkrecht zur Längsachse des

Membrantopfs angeordneten Querschnittsebene zumindest näherungsweise ellipsenförmig ausgebildet ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei Annährung der Innenkontur an eine Ellipse insbesondere die gewünschte Abstrahlcharakteristik, bei der ein relativ großer Abstrahlwinkel in einer horizontalen Ebene und ein relativ kleiner Abstrahlwinkel in einer vertikalen Ebene (im Vergleich zur horizontalen Ebene) erzielbar ist, optimiert wird. Weiterhin wird eine Minimierung der Energieeinkopplung in die Seitenwand des Membrantopfs erzielt, d.h. dass die Abstrahlung der Schallschwingungen wie gewünscht hauptsächlich senkrecht zur Ebene des Membranbodens erfolgt. Eine ideale ellipsenförmige Kontur ist jedoch mit Blick auf die anderen Randbedingungen, insbesondere die

Möglichkeit, bei kompakt bauendem Membrantopf die Integration des

Wandlerelements (Piezoelement) am Membranboden zu erzielen, relativ schwierig realisierbar. Daher weicht eine für die Praxis optimierte Innenkontur üblicherweise etwas von der idealen ellipsenförmigen Kontur ab.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Membrantopfs für einen Ultraschallwandler sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Um die angesprochene Aufnahme des Wandlerelements (Piezoelements) bei möglichst kompakt hinsichtlich seiner Außenabmessungen ausgebildetem Membrantopf zu realisieren, ist es vorgesehen, dass die Innenkontur, die zumindest näherungsweise ellipsenförmig ausgebildet ist, in Richtung der Nebenachse spiegelbildlich zur Hauptachse jeweils einen Mittelabschnitt aufweist, der bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist. Um die aufgrund des Einbaus bzw. der Anordnung des Wandlerelements benötigte Innenkontur möglichst an die (ideale) Ellipsenform anzupassen, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die maximale Erstreckung der Innenkontur in Richtung der Hauptachse und der Nebenachse mit der Kontur einer (idealen) Ellipse zusammenfällt.

In der Praxis hat sich eine Innenkontur als besonders günstig herausgestellt, bei der diese in Richtung der Hauptachse betrachtet außerhalb des gekrümmten Mittelabschnitts (der zur Aufnahme des Wandlerelements dient bzw. angepasst ist) einen ersten Konturabschnitt aufweist, der außerhalb der idealen

ellipsenförmigen Kontur verläuft, und dass sich an den ersten Konturabschnitt auf der dem gekrümmten Mittelabschnitt abgewandten Seite ein zweiter

Konturabschnitt anschließt, der innerhalb der idealen ellipsenförmigen Kontur verläuft, und der im Bereich der maximalen Erstreckung in Richtung der

Hauptachse mit der idealen ellipsenförmigen Kontur zusammenfällt.

Um einen bestimmten, stets gleichen Abstand zwischen der Innenkontur des Membrantopfs zum Wandlerelement auszubilden, wenn das Wandlerelement kreisförmig ausgebildet ist, ist es vorgesehen, dass die Innenkontur im Bereich des (gekrümmt ausgebildeten) Mittelabschnitts kreisbogenabschnittsförmig ausgebildet ist.

Die Erfindung umfasst weiterhin einen Ultraschallwandler mit einem soweit beschriebenen, erfindungsgemäßen Membrantopf. Ein derartiger

Ultraschallwandler zeichnet sich durch eine optimierte Funktion bei relativ kostengünstiger Herstellbarkeit aus.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen Membrantopf als

Bestandteil eines Ultraschallwandlers, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Membrantopfs gemäß Fig. 1 ohne ein darin angeordnetes Wandlerelement,

Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene III-III der Fig. 1 und

Fig. 4 einen Halblängsschnitt des Membrantopfs gemäß den Fig. 1 und 2 zur Verdeutlichung der Schwingungscharakteristik des Membrantopfs im Vergleich zu einem Membrantopf gemäß dem Stand der Technik.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In den Figuren ist ein Membrantopf 10 für einen nicht dargestellten

Ultraschallwandler dargestellt, wobei der Ultraschallwandler insbesondere im Bereich eines Stoßfängers eines Kraftfahrzeugs angeordnet und Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems zur Erfassung von Objekten und deren Abstand zu dem Stoßfänger ist. Dabei ist der in den Figuren dargestellte Membrantopf 10 mit einem nicht dargestellten Gehäuse des Ultraschallwandlers verbunden, das im Einbauzustand zumindest mittelbar mit dem angesprochenen Stoßfänger verbunden ist.

Der aus Metall bestehende, im Wesentlichen napfförmige Membrantopf 10 ist im Tiefzieh- bzw. Fließpressverfahren hergestellt und weist eine Längsachse 1 1 auf. Eine Seitenwand 12 umgibt die Längsachse 11 konzentrisch. Der Membrantopf 10 ist darüber hinaus an einer Stirnseite von einem Bodenbereich 13 bzw.

Membranboden begrenzt, und weist an der anderen Stirnseite einen radial nach außen ragenden, umlaufenden Flansch 14 auf. Die Außenkontur 16 des

Membrantopfs 10 bzw. dessen Querschnitt ist kreisförmig ausgebildet, und die von der Seitenwand 12 und dem Bodenbereich 13 begrenzte, sacklochförmige Ausnehmung 18 weist an ihrer Innenseite einen konisch ausgebildeten

Übergangsbereich 19 auf.

Während die Wanddicke d der Seitenwand 12 in Richtung der Längsachse 11 betrachtet, mit Ausnahme im Bereich des Flansches 14 und im Bodenbereich 13, zumindest näherungsweise konstant ist, ändert sich die Wanddicke d in

Umfangsrichtung der Seitenwand 12 betrachtet.

Innerhalb der Ausnehmung 18 ist auf dem Bodenbereich 13 ein lediglich in der Fig. 1 dargestelltes Wandlerelement 20, insbesondere in Form eines Piezoaktors angeordnet und über eine (nicht dargestellte) Klebeschicht oder Ähnliches fest und insbesondere starr mit dem Bodenbereich 13 verbunden. Mittels des Wandlerelements 20 wird der Bodenbereich 13 während einer Sendephase in einer in Richtung der Längsachse 11 angeordneten Schwingungsrichtung entsprechend des Doppelpfeils 21 zu Schwingungen angeregt. Durch die starre

Kopplung des Bodenbereichs 13 mit der Seitenwand 12 wird auch die

Seitenwand 12 dabei zu Schwingungen angeregt, jedoch zu Querschwingungen, wie dies durch den Doppelpfeil 22 verdeutlicht sein soll. Während, wie oben erläutert, die Außenkontur 16 des Membrantopfs 10 zumindest näherungsweise rund bzw. kreisförmig ausgebildet ist, ist die

Innenkontur 25 des Membrantopfs 10 zumindest in dem Bereich zwischen dem Flansch 14 und dem Bodenbereich 13, zumindest näherungsweise,

ellipsenförmig ausgebildet. Die exakte Form der Innenkontur 25 im Vergleich zu einer idealen Kontur 26 einer Ellipse ist in der Fig. 3 näher dargestellt.

Insbesondere erkennt man, dass die Innenkontur 25 eine Hauptachse 27 und eine Nebenachse 28 aufweist, die senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei der Schnittpunkt der Hauptachse 27 mit der Nebenachse 28 mit der Längsachse 1 1 des Membrantopfs 10 zusammenfällt. Weiterhin erkennt man, dass in

Richtung der Nebenachse 28 betrachtet, symmetrisch zur Hauptachse 27, zwei kreisbogenabschnittsförmig ausgebildete Mittelabschnitte 29 vorgesehen sind. Diese Mittelabschnitte 29 haben bei montiertem Wandlerelement 20

vorzugsweise einen konstanten Abstand zum Außenumfang des (kreisförmig bzw. scheibenförmig ausgebildeten) Wandlerelements 20. Die beiden

Mittelabschnitte 29 verlaufen insbesondere innerhalb der (ideal ellipsenförmigen)

Kontur 26. Von den beiden Mittelabschnitten 29 erstreckt sich in Richtung der Hauptachse 27 betrachtet ein Konturabschnitt 31 , der innerhalb der Kontur 26 angeordnet ist. An den Konturabschnitt 31 schließt sich in Richtung der

Hauptachse 27 betrachtet ein weiterer Konturabschnitt 32 an, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der weitere Konturabschnitt 32 außerhalb der Kontur 26 der idealen Ellipse verläuft. Charakteristisch für die Innenkontur 25 ist weiterhin, dass die im Bereich der Hauptachse 27 und der Nebenachse 28 die maximale Erstreckung der Innenkontur 25 mit der maximalen Erstreckung der

(ellipsenförmigen) Kontur 26 zusammenfällt.

In der Fig. 4 ist der Vorteil einer soweit beschriebenen, zumindest

näherungsweise ellipsenförmigen Innenkontur 25 im Vergleich zu einer konventionellen Kontur gemäß dem Stand der Technik bei einer

Schwingungsanregung des Membrantopfs 10 durch ein Wandlerelement 20 dargestellt. Hierbei erkennt man insbesondere, dass die Schwingungsamplitude a der Seitenwand 12 bei dem Graph X eines erfindungsgemäßen Membrantopfs 10 in radialer Richtung des Membrantopfs 10 betrachtet bedeutend geringer ist als die Schwingungsamplitude a bei dem Graph Y bei der Seitenwand eines konventionellen Membrantopfs. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die von dem Wandlerelement 20 in den Membrantopf 10 übertragende

Schwingungsenergie in gewünschter Art und Weise im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 1 1 erfolgt, und nicht in einer senkrecht zur Längsachse 11 verlaufenden Richtung, d.h. in die Seitenwand 12 eingekoppelt wird.

Insbesondere werden durch eine derartige Ausstrahlcharakteristik auch von einem neben dem Membrantopf 10 angeordneten weiteren Membrantopf 10 bzw. Ultraschallwandler keine bzw. weniger störende Schallwellen erfasst als bei einem konventionellen Membrantopf.

Der soweit beschriebene Membrantopf 10 bzw. dessen Geometrie kann von der soweit beschriebenen Geometrie zumindest geringfügig abweichen, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, die Innenkontur 25 des Membrantopfs 10 zumindest näherungsweise ellipsenförmig auszubilden.