Schallwandler Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler, welcher einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse aufweist. Der Membrantopf weist eine

Membran und eine Wandung auf. Zusätzlich weist der Schallwandler ein

Entkopplungselement auf. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Schallwandlers.

Ultraschallsensoren werden unter anderem in Automobil- und

Industrieanwendungen zur Erfassung des Umfelds eingesetzt. Objekte in der Umgebung können erkannt werden, indem durch den Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird und das von einem Objekt reflektierte

Ultraschallecho wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit zwischen dem

Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des Ultraschallechos sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann die Entfernung zu dem Objekt berechnet werden.

Um eine schwingungsmechanische Entkopplung zwischen Ultraschallsensor und dessen Einbauumgebung zu gewährleisten, werden aktuell

Entkopplungselemente zwischen Ultraschallsensor und Einbauumgebung montiert. Die Entkopplungselemente bestehen aus flexiblen Materialien mit hoher Materialdämpfung, wie zum Beispiel Silikon. Als Beispiel kann hierzu die Schrift DE 10 2015 115 419 AI genannt werden, in der ein Entkopplungselement in Form eines Gummirings auf den Membrantopf aufgesteckt wird und somit den Membrantopf einerseits in der Einbaulage zentriert und ihn andererseits schwingungsmechanisch von dem Außenverkleidungsteil entkoppelt.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen

Schallwandler mit vereinfachtem Herstellungsverfahren und einem vereinfachten Aufbau zu entwickeln. Offenbarung der Erfindung

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Schallwandler, insbesondere für einen

Ultraschallsensor, vorgeschlagen, welcher ein Gehäuse, mindestens ein

Entkopplungselement und eine funktionale Gruppe aufweist. Die funktionale

Gruppe weist hierbei einen Membrantopf und mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement auf. Der Membrantopf umfasst eine schwingungsfähige

Membran und eine umlaufende Wandung sowie mindestens ein

elektroakustisches Wandlerelement, wobei das Wandlerelement ausgebildet ist, die Membran zum Schwingungen anzuregen und/oder Schwingungen der

Membran in elektrische Signale zu wandeln. Der Membrantopf und mindestens ein Teil des Gehäuses sind aus einem Kunststoff material ausgebildet. Das Entkopplungselement ist dazu ausgebildet, den Membrantopf und/oder das mindestens eine Teil des Gehäuses schwingungsmechanisch von einer äußeren Umgebung des Schallwandlers zu entkoppeln. Ein Material, welches hierfür gute

Dämpfungseigenschaften aufweist, ist beispielsweise Silikon. Bei der äußeren Umgebung des Schallwandlers handelt es sich insbesondere um eine

Einbauumgebung des Schallwandlers. In Fahrzeugen werden

Ultraschallsensoren üblicherweise in Aussparungen am Stoßfänger verbaut.

Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Entkopplungselement in dem

Membrantopf integriert. Hierbei ist das mindestens eine Entkopplungselement insbesondere in der Wandung des Membrantopfs integriert. Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß das mindestens eine Entkopplungselement in dem mindestens einen Teil des Gehäuses integriert. Durch die Integration des

Entkopplungselements und die somit einteilige Ausgestaltung der funktionellen Gruppe und/oder des mindestens einen Teil des Gehäuses zusammen mit dem Entkopplungselement wird der Aufbau des Schallwandlers wesentlich vereinfacht gegenüber konventionell hergestellten Schallwandlern, deren Komponenten einzeln montiert werden. Zudem erlangt der Schallwandler zusätzlich Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Hierbei können in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung das mindestens eine Teil des Gehäuses und die funktionale Gruppe des Schallwandlers einstückig bzw. als ein Bauteil aus dem

Kunststoffmaterial ausgebildet sein. Hierzu kann ein thermoplastischer oder duroplastischer Werkstoff verwendet werden. Alternativ können in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung das mindestens eine Teil des Gehäuses und die funktionale Gruppe des Schallwandlers einstückig bzw. als ein Bauteil als ein Faser- Kunststoff- Verbundbauteil ausgestaltet sein. Als Werkstoffe mit sehr guter Eignung können hierbei Kohle-, Glas- oder Aramidfaser verstärkte

Epoxidharze verwendet werden. Durch die einstückige Ausbildung des mindestens einen Teils des Gehäuses, der funktionale Gruppe des

Schallwandlers, sowie dem integrierten Entkopplungselement ergibt sich ein Schallwandler mit einfachem und besonders robustem Aufbau.

Vorzugsweise ist das mindestens eine Entkopplungselement zwischen der äußeren Umgebung des Schallwandlers und dem Membrantopf und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses angeordnet. Bei der äußeren Umgebung des Schallwandlers handelt es sich insbesondere um die Einbauumgebung des Schallwandlers. Die Wandung des Membrantopfs liegt oft direkt an der

Einbauumgebung des Schallwandlers an, wodurch das im Zwischenraum angeordnete Entkopplungselement besonders wirksam den Übertrag von Schwingungen zwischen dem Membrantopf und der Einbauumgebung verhindern kann. Bei dem mindestens einen Teil des Gehäuses handelt es sich insbesondere um den Teil des Gehäuses, welches direkt an der

Einbauumgebung des Schallwandlers anliegt. Somit kann das im Zwischenraum angeordnete Entkopplungselement besonders wirksam der Übertrag von Schwingungen zwischen dem mindestens einen Teil des Gehäuses und der Einbauumgebung verhindern.

Vorzugsweise weist das Entkopplungselement mindestens eine Aussparung auf. Das Kunststoffmaterial, aus welchem der Membrantopf und das mindestens eine Teil des Gehäuses ausgebildet sind, füllt diese Aussparung hierbei derart aus, dass das mindestens eine Entkopplungselement formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Membrantopf und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses verbunden ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Aussparung um eine Lochaussparung des Entkopplungselements. Der Membrantopf und/oder das mindestens eine Teil des Gehäuses weist in diesem Fall einen

Kunststoffbolzen auf, welcher durch die Lochaussparung hindurchläuft und so das Entkopplungselement formschlüssig verbunden gegen radiale Verschiebung schützt. Außerdem kommt es bei dieser Ausgestaltung zu einer stoffschlüssigen Verbindung, sodass sich das Entkopplungselement auch axial nicht lösen kann. Dies stellt eine einfache Methode dar, um das Entkopplungselement in dem Membrantopf, insbesondere in der Wandung des Membrantopfs und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses zu integrieren. Vorzugsweise ist diese formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Entkopplungselement und dem Membrantopf und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses nicht lösbar ausgeführt. Somit ergibt sich ein robusterer Aufbau des Schallwandlers gegenüber z.B. einem herkömmlichen Schallwandler, bei welchem das Entkopplungselement lösbar auf die entsprechende

Komponente aufgesteckt wird. Vorzugsweise kann es sich bei der Aussparung des Entkopplungselements auch um eine Hinterschneidung des

Entkopplungselements handeln. Diese Hinterschneidung wird von dem

Kunststoffmaterial ausgefüllt, sodass das mindestens eine Entkopplungselement formschlüssig mit dem Membrantopfs und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses verbunden wird. Durch die Hinterschneidung ist die formschlüssige Verbindung nicht lösbar ausgeführt. Vorzugsweise herrscht hierbei zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung vor.

Vorzugsweise ist das Entkopplungselement zumindest teilweise in dem

Membrantopf und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses derart eingebettet, dass das mindestens eine Entkopplungselement formschlüssig mit der Membrantopf und/oder mit dem mindestens einen Teil des Gehäuses verbunden ist. Hierzu weist das umlaufende Entkopplungselement beispielsweise einen Teilbereich auf, der eine größere Wandstärke aufweist als der restliche Bereich des Entkopplungselements. Der Teilbereich mit der dickeren Wandstärke ist vollkommen umschlossen von dem Kunststoffmaterial, sodass eine

formschlüssige Verbindung mit dem Membrantopf und/oder mit dem mindestens einen Teil des Gehäuses entsteht.

Bevorzugt haftet das mindestens eine Entkopplungselement an dem

Kunststoffmaterial, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff, der funktionellen Gruppe des Schallwandlers derart an, dass das

Entkopplungselement mit dem mindestens einen Teil des Gehäuses und/oder mit der Wandung des Membrantopfs stoffschlüssig verbunden ist. Als

Kunststoffmaterial kann hierbei beispielsweise Epoxidharz verwendet werden. Diese stoffschlüssige Verbindung zwischen Membrantopf und

Entkopplungselement und/oder dem mindestens einen Teil des Gehäuses und dem Entkopplungselement kann realisiert werden, wenn das Entkopplungselement während des Herstellungsprozess vom Kunststoff material benetzt wird. Hierfür wird als Kunststoff material bevorzugt ein duroplastischer Werkstoff verwendet. Durch die adhäsiven Eigenschaften des Werkstoffs kommt es zu einer nicht lösbaren stoffschlüssigen Verbindung zwischen Membrantopf und/oder Gehäuse mit dem mindestens einen Entkopplungselement. Diese stoffschlüssige Verbindung ist vergleichbar mit einer Klebeverbindung, wobei jedoch kein Klebstoff verwendet wird, sondern die adhäsive Materialeigenschaft des Grundwerkstoffs für die Verbindung verwendet wird. Zu beachten ist hierbei, dass die adhäsiven Eigenschaften des Werkstoffs des Gehäuses und/oder der Wandung des Membrantopfs mit den adhäsiven Eigenschaften des Werkstoffs des Entkopplungselements aufeinander abgestimmt sind, um eine dauerhaft haltbare stoffschlüssige Verbindung zu erreichen.

Bevorzugt können auch formschlüssige Varianten der Integration des

Entkopplungselements mit den stoffschlüssigen Varianten kombiniert werden.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht die einfache und wirtschaftliche Herstellung eines Schwallwandlers, z.B. für einen

Ultraschallsensor, auf Grundlage von mindestens einem in den Membrantopf integrierten Entkopplungselement. Dadurch kann in der Herstellung auf arbeitsintensive Montageschritte zur Ankopplung des Entkopplungselements an den Membrantopf verzichtet werden, wodurch sich ein vereinfachter

Aufbauprozess ergibt. In dem Herstellungsverfahren wird zunächst das mindestens eine Entkopplungselement in eine erste Kavität eines Werkzeugs einer Spritzgussmaschine eingebracht. Anschließend erfolgt das Einspritzen eines Kunststoffmaterials in die erste Kavität, wobei das Entkopplungselement zumindest teilweise an dem Kunststoff material anliegt. Alternativ oder zusätzlich wird das Entkopplungselement zumindest teilweise von dem eingespritzten Kunststoffmaterial ausgefüllt. Weiterhin alternativ oder zusätzlich wird das Entkopplungselement zumindest teilweise von dem Kunststoff material umschlossen, sodass es nach der Aushärtung des Kunststoffmaterials zumindest teilweise in dem Kunststoff material eingebettet ist. Es entsteht ein Membrantopf gemäß des Hauptanspruchs mit einer Wandung, mit einer schwingungsfähigen Membran und mit einem Entkopplungselement. Das mindestens eine

Entkopplungselement ist in den Membrantopf, insbesondere in die Wandung des Membrantopfs integriert. Alternativ wird das Kunststoff material nicht eingespritzt, sondern bevorzugt in eine Gussform eingegossen.

Vorzugsweise kann die funktionale Gruppe des Schallwandlers und das

Gehäuse als einteilige Gesamtkomponente in einem Arbeitsschritt gefertigt werden. Der Aufbau des Schallwandlers wird damit weiter vereinfacht und robuster gestaltet. Weiterhin vorzugsweise wird in einem Verfahrensschritt mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement in eine zweite Kavität des Werkzeugs der Spritzgussmaschine eingebracht. In einem folgenden

Verfahrensschritt wird das Kunststoffmaterial in die zweite Kavität eingespritzt, sodass das mindestens eine Wandlerelement zumindest teilweise von dem Kunststoffmaterial umschlossen wird und das Wandlerelement in die

schwingungsfähige Membran integriert wird. Dadurch ergibt sich ein

geschlossenes, einstückiges Bauteil mit erhöhter Robustheit gegenüber

Umwelteinflüssen, wie z. B. dem Eindringen von Feuchte oder

Verschmutzungen.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer ersten

Ausführungsform der Erfindung mit einem Steckergehäuse.

Figur 2 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer zweiten

Ausführungsform der Erfindung mit einem Steckergehäuse.

Figur 3 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer dritten

Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer vierten

Ausführungsform der Erfindung.

Figur 5 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer fünften

Ausführungsform der Erfindung. Figur 6 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer sechsten

Ausführungsform der Erfindung. Figur 7 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schwallwandlers.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch ein Schnitt durch einen Schwallwandler 1 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung abgebildet. Der Schallwandler weist ein

Gehäuse 5 mit einem Steckergehäuse 11 auf. Der Schwallwandler umfasst eine funktionale Gruppe 2, die einteilig mit dem Gehäuse ausgeführt ist. Die funktionale Gruppe umfasst einen Membrantopf 6 mit einer schwingungsfähigen Membran 8 und einer umlaufenden Wandung 7. Die Membran 8 kann

beispielsweise kreisförmig oder elliptisch geformt sein. Die Membran weist Teilbereiche mit einer verringerten Dicke bzw. einer verringerten Wandstärke auf. Durch die geometrische Gestaltung dieser Bereiche werden das

Schwingungsverhalten sowie die Resonanzfrequenz des Schallwandlers 1 bestimmt. Der Membrantopf 6 ist in diesem Beispiel einteilig ausgeführt.

Weiterhin geht die umlaufende Wandung 7 direkt in das Gehäuse 5 über, wobei auch das Steckergehäuse 11 einteilig mit dem Gehäuse 5 ausgeführt ist. Der Schallwandler 1 weist weiterhin ein Wandlerelement 3 auf, welches in diesem Beispiel in der Membran 8 integriert ist. In dieser Ausführungsform ist das Entkopplungselement 9a stoffschlüssig mit der Wandung 7 des Membrantopfs 6 verbunden und somit in die Wandung des Membrantopfs 7 integriert. Das Entkopplungselement 9a haftet in diesem Beispiel an der Außenseite der Wandung 7 an.

Der Schwallwandler 1 ist in dieser ersten Ausführungsform in einem Bauteil 12a eingebaut. Das Bauteil 12a kann beispielsweise ein Stoßfänger eines Fahrzeugs repräsentieren. Durch das Entkopplungselement 9a kann verhindert werden, dass Schwingungen vom Membrantopf 6 auf das Bauteil und anders herum übertragen werden können.

Figur 2 zeigt im Unterschied zu Figur 1 ein Entkopplungselement 9b, welches sowohl in der Wandung 7 des Membrantopfs 6, wie auch in einem Teil des Gehäuses 5 stoffschlüssig integriert ist. Durch das Entkopplungselement 9b kann verhindert werden, dass Schwingungen vom Membrantopf 6 oder vom Teil des Gehäuses 5 auf die äußere Umgebung des Schallwandlers und anders herum übertragen werden können.

Figur 3 zeigt im Unterschied zu Figur 1 eine Ausführung, bei der das

Entkopplungselement 9c auf einer Seite in den Membrantopf 7 eingebettet ist.

Somit liegt das Entkopplungselement an der umlaufenden Kante 13 an und ist besser gegen Verrutschen durch eingebrachte Scherkräfte geschützt.

Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Schwallwandlers. Das Entkopplungselement 9d ist hierbei zumindest teilweise in dem Membrantopf 6 derart eingebettet, dass das mindestens eine

Entkopplungselement 9d formschlüssig mit dem Membrantopf 6 verbunden ist. Das umlaufende Entkopplungselement 9d weist hierbei einen Teilbereich 14 auf, der eine dickere Wandstärke aufweist, als der übrige Bereich des

Entkopplungselements. Dieser Teilbereich 14 wird von dem Kunststoffmaterial vollkommen umschlossen, sodass das Entkopplungselement formschlüssig mit dem Membrantopf und/oder mit dem mindestens einen Teil des Gehäuses verbunden ist. Figur 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Schallwandlers. Hierbei weist das umlaufende Entkopplungselement 9e eine Aussparung 15 in Form einer Hinterschneidung auf. Das Kunststoff material des Membrantopfs 7 füllt diese Hinterschneidung derart aus, dass das

Entkopplungselement 9e formschlüssig mit dem Membrantopf 7 verbunden ist.

Figur 6 zeigt eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Schallwandlers, wobei das Entkopplungselement 9f eine Aussparung 16 in Form einer Lochaussparung aufweist. Diese Aussparung 16 wird von dem

Kunststoffmaterial des Membrantopfs 7 derart ausgefüllt, dass das

Entkopplungselement 9f formschlüssig mit dem Membrantopf 7 verbunden ist.

Bei der vierten, fünften und sechsten Ausführungsform wäre außerdem noch vorstellbar, dass das Entkopplungselement zusätzlich stoffschlüssig mit dem Membrantopf, insbesondere mit der Wandung des Membrantopfs verbunden wäre. Auch eine Kombination der unterschiedlichen formschlüssigen

Verbindungen wäre vorstellbar. Figur 5 stellt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Schallwandler dar.

In Schritt 100 wird ein Kunststoffverarbeitungswerkzeug mit einer ersten Kavität bereitgestellt, deren Form der gewünschten Form des Schallwandlers angepasst ist.

In Schritt 110 wird mindestens ein Entkopplungselement in die erste Kavität eingebracht.

In Schritt 130 wird ein Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Epoxidharz in die erste Kavität eingespritzt, wodurch ein Membrantopf mit einer Wandung, mit einer schwingungsfähigen Membran und mit einem Entkopplungselement ausgebildet wird. Das mindestens eine Entkopplungselement ist hierbei in den Membrantopf, insbesondere in die Wandung des Membrantopfs integriert. Zur Integration liegt das Entkopplungselement zumindest teilweise an dem

Kunststoffmaterial an und/oder wird von dem Kunststoffmaterial zumindest teilweise ausgefüllt und/oder von dem Kunststoff material zumindest teilweise umschlossen. Ist die erste Kavität entsprechend ausgestaltet, kann zusätzlich zu dem Membrantopf mit der Wandung, der schwingungsfähigen Membran und dem mindestens einen Entkopplungselement auch das Gehäuse in einem Bauteil ausgebildet werden.

In Schritt 140 wird, gegebenenfalls nach einer Erstarrungsdauer, das Bauteil entnommen.

In einem auf den Verfahrensschritt 110 folgenden optionalen Verfahrensschritt 120 wird mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement in eine zweite Kavität des Werkzeugs der Spritzgussmaschine eingebracht. Bei dem

anschließenden Einspritzen des Kunststoffmaterials wird das mindestens eine Wandlerelement zumindest teilweise von dem Kunststoff material umschlossen und in die schwingungsfähige Membran integriert.