DE102015015900B3 - Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit Mehrfachresonanz - Google Patents

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Abstract

Das erfindungsgemäße Schwingsystem besteht aus einem Montageelement (6e) als Schwingkörper und einem die Schwingung dieses Schwingkörpers antreibenden piezoelektrischen Schwingelement (2) pro Montageelement (6e). Es ist für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer (TR) vorgesehen. Das Schwingelement (2) ist mit dem Montagelement (6e) mechanisch durch eine Klebung mittels eines Klebers verbunden. Das Schwingsystem, bestehend aus dem Montageelement (6e) und dem Schwingelement (2), ist mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1, 1a, 1c) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden. Die kürzeste Verbindungslinie (L) von dem Schwerpunkt des Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1) schneidet den elastischen Kleber (3). Im Gegensatz zum Stand der Technik weist das Schwingsystem aus Montageelement (6e) und Schwingelement (2) bei Ansteuerung des Schwingelementes (2) durch einen Ansteuerschaltkreis zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, auf, wobei zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von den drei aus dem Stand der Technik bekannten Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelementes (2) und den Frequenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden ist. Dabei beziehen sich die Eigenfrequenzen auf solche Eigenfrequenzen des Schwingelementes (2) ohne anmontiertes Montageelement (6e). Das Montageelement (6e) weist mindestens eine Öffnung (9b) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder Ausstülpung auf. Eine Ausstülpung kann beispielsweise eine akustische Stichleitung (10) sein, die wiederum durch eine weitere Klebung (3b) akustisch ab- oder kurzgeschlossen sein kann. Das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz hängt dabei von einem Durchmesser oder der Lage der Öffnung (9b) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder der Länge der Ausstülpung (10) auf dem Montagelement (6e) ab.

Description

  • Einleitung
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ultraschall-Transducer bekannt. Diese spielen beispielsweise im Zusammenhang mit der Abstandserkennung beim Einparken von Fahrzeugen eine wichtige Rolle. Bei diesem Vorgang wird eine Ultraschallwelle durch einen Ultraschall-Transducer ausgesandt, von einem Objekt im Fahrweg des Kfz reflektiert und typischerweise von demselben Ultraschall-Transducer wieder aufgefangen. Aus der Laufzeit und der Amplitude kann zum einen auf das Vorhandensein eines Hindernisses im Fahrweg geschlossen werden und zum anderen auf dessen Abstand zum Ultraschall-Transducer. Der Ultraschall-Transducer arbeitet somit zumindest zeitweise als Ultraschallsender und zeitweise als Ultraschallempfänger.
  • Der Stand der Technik wird anhand der 1 bis 4 erläutert.
  • 1 zeigt eine typische Schaltung aus dem Stand der Technik. An dieser Stelle wird nicht auf die Bedeutung aller Bauelemente der Schaltung eingegangen. Stattdessen findet hier eine Beschränkung auf die wichtigsten Teile der Schaltung statt. Die Bauelemente sind in der Bezugszeichenliste soweit benannt, dass ein Fachmann die Schaltung nacharbeiten kann. In dieser Schaltung wird der Transducer (TR) durch den Ansteuerschaltkreis (USctr) über die erste Leitung (DRV1) und die zweite Leitung (DRV2) zur differentiellen Ansteuerung seines piezoelektrischen Schwingelements (2, 2) zum Senden veranlasst. Dabei wird in dem Übertrager (UE) das Ausgangssignal des Ansteuerschaltkreis (USctr) hochgespannt, um eine optimale Anpassung des Ausgangs (DRV1, DRV2) des Ansteuerschaltkreises an (USctr) an die Resonanzimpedanz des piezoelektrischen Schwingelements (2, 2) des Ultraschall-Transducers (TR) zu gewährleisten. Wird das piezoelektrische Schwingelement (2, 2) des Ultraschall-Transducers (TR) nicht angesteuert, so kann über ein im wesentlichen kapazitives Netzwerk (CTD1, CAIN1, CAIN2, RAIN) im Zusammenwirken mit der Induktivität des Übertragers (UE) das durch das piezoelektrische Schwingelement (2, 2) erzeugte elektrische Signal des Ultraschall-Transducers (TR) durch den Ansteuerschaltkreis über ein erstes Eingangssignal (AING) und ein zweites Eingangssignal (AINS) empfangen und verarbeitet werden. Das Ergebnis der Auswertung wird dann typischerweise über einen Datenbus, beispielsweise einen LIN-Bus, an eine übergeordnete Instanz gemeldet.
  • 2 zeigt einen typischen Ultraschall-Transducer im Querschnitt.
  • Die Ultraschall-Transducer sind typischerweise nicht rotationssymmetrisch gefertigt. Am Gehäuse existieren typischerweise zwei gegenüberliegende Abflachungen, um eine definierte Montage zu gewährleisten. Die Abstrahlcharakteristik wird im Stand der Technik durch eine variierende Dicke der Gehäusewand moduliert. Typische Ultraschall-Transducer aus dem Stand der Technik zeigen diese variierende Gehäusedicke, um die Öffnungswinkel in x- und y Richtung einstellen zu können. Dieses Verfahren zur Ausformung des Abstrahlwinkels ist relativ kompliziert, da es komplexe dreidimensionale Formen erfordert.
  • Der Gehäusedurchmesser variiert im Stand der Technik zwischen 14 und 18 mm, dies ist aber nicht exakt n·λL, wobei n eine ganze Zahl und λL die Wellenlänge des Schalls in der Luft ist, sondern die verschiedenen Frequenzen sollen im jeweils gleichen Sensormodulgehäuse durch eine breitbandige Gehäuseresonanz abstrahlbar und empfangbar sein. Die Wellenlänge λL liegt bei einer typischen Schwingfrequenz von 58 kHz bei 5,9 mm in Luft bei Raumtemperatur, und bei 108 mm in Aluminium. Die Wellenlänge in Aluminium, aus dem das Gehäuse des Ultraschall-Transducers gefertigt ist, ist also typischerweise um einen Faktor 18,3 größer als die Wellenlänge in Luft.
  • Grundsätzlich ist ein Ultraschall-Transducer mit zwei und mehr Resonanzfrequenzen und unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken vorteilhaft, um diese verschiedenen Abstrahlcharakteristiken für verschiedene Messaufgaben nutzen zu können. Beispielhafte Eigenschaften des Ultraschall-Transducers bei diesen Resonanzfrequenzen wären ein breiter Öffnungswinkel der Schallkeule bei kurzer Reichweite und alternativ ein kleiner Öffnungswinkel der Schallkeule bei große Reichweite (z. B. 6 bis 8 m). Dies würde beispielsweise eine Nahfelderkennung für ultraschallbasierende Einparkhilfen in einer Kfz-Stoßstange ermöglichen.
  • Vor diesem Hintergrund wäre ein einfaches Verfahren zur Einstellung dieser Resonanzfrequenzen sowie der Bandbreite und der Güte bei diesen Resonanzfrequenzen in der Fertigung des Ultraschall-Transducers wünschenswert, um verschiedene Frequenzkonfigurationen schnell und einfach einstellen zu können.
  • Typischerweise ist der Ultraschall-Transducer symmetrisch zu einer 2-zähligen Achse (13) gefertigt. In diesem Beispiel verfügt er über ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden (1b) und Gehäusewänden (1c). Typischerweise handelt es sich um eine zumindest annähernd zylindrische Gehäusewand (1c). Das Gehäuse (1) ist zumindest teilweise, vorzugsweise als Ganzes, elektrisch leitend, beispielsweise aus Aluminium ausgeführt und beispielsweise in einem Tiefziehprozess hergestellt. Ein piezoelektrisches Schwingelement (2) ist mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers (8) in das Gehäuse (1) auf dessen Gehäuseboden (1b) geklebt. Das piezoelektrische Schwingelement (2) weist einen zweiten elektrischen Kontakt (2b) auf, der auf der Seite des piezoelektrischen Schwingelements (2) angebracht ist, die dem elektrisch leitenden Kleber (8) zugewandt ist. Der zweite elektrische Kontakt des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist somit typischerweise elektrisch leitend mit dem elektrisch leitenden Kleber (8) verbunden. Der andere erste Kontakt (2a) befindet sich typischerweise auf der anderen Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2), die der Oberfläche mit dem zweiten Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) gegenüberliegt. Der erste Kontakt (2a) des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist somit weitestgehend elektrisch von dem zweiten Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) – abgesehen von der kapazitiven Kopplung zwischen beiden – isoliert. Der elektrisch leitende Kleber (8) berührt bis zu einer äußeren Klebekante (3c) das piezoelektrische Schwingelement (2). Dieses besitzt typischerweise eine Außenkante (2c), die typischerweise einen größeren Durchmesser als die besagte Klebekante (3c) aufweist. Der erste elektrische Kontakt (2a) des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist typischerweise mittels einer ersten elektrischen Zuleitung (4) angeschlossen. Das Gehäuse (1) und damit auch der zweite elektrische Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) sind über eine zweite Zuleitung (5) angeschlossen. Wird zwischen der ersten und zweiten Zuleitung (4, 5) eine Spannung angelegt, so kommt es aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu einer Kontraktion oder Expansion desselben je nach Polarität der angelegten Spannung. Geschieht dies mit einer geeigneten Sendefrequenz, so gerät insbesondere der Gehäuseboden (1b) und die Gehäusewand (1c) in mechanische Resonanz und eine Schallwelle wird durch den Gehäuseboden (1b) nach unten hin in die Luft abgestrahlt. Der Durchmesser des Gehäusebodens beträgt typischerweise ein ganzzahliges (n-faches) Vielfaches der Wellenlänge (λL) des Schalls in der Luft bei Sendefrequenz. In der Vergangenheit hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Durchmesser des Gehäusebodens das 6-fache der Schallwellenlänge (λL) in Luft betrug.
  • 3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch das Ultraschallmodul (SM). Eine gedruckte Schaltung (PCB) trägt typischerweise den Ansteuerschaltkreis (USctr, 1) und die peripheren Bauelemente (siehe 1). Diese gedruckte Schaltung (PCB) ist über einen Stecker (Con) mit der Außenwelt verbindbar. Der Ultraschall-Transducer (TR) befindet sich links von der gedruckten Schaltung um 90° gedreht mit dem Gehäuseboden (1c, 2) nach links zeigend. Typischerweise werden die Ultraschall-Transducer direkt in der Stoßstange eines Kfz montiert. Allenfalls eine Lackierung verhindert den direkten Kontakt mit elektrisch geladenen Gegenständen. Im Falle einer elektrostatischen Entladung – allgemein als ESD-Ereignis (ESD) bezeichnet – verhindert das kapazitive Netzwerk (CTD1, CAIN1, CAIN2, RAIN) im Zusammenwirken mit der Induktivität des Übertragers (UE), dass dieser ESD-Puls den Ansteuerschaltkreis (USctr) ungedämpft erreichen und somit beschädigen kann.
  • Der in 1 verwendete Übertrager ist jedoch relativ kostspielig. Daher besteht das Bedürfnis, auf diesen verzichten zu können. 4 zeigt eine Schaltung aus dem Stand der Technik ohne den Übertrager (UE) mit einem anderen Ansteuerschaltkreis (USctr), der für eine solche direkte Ansteuerung geeignet ist.
  • Der Ultraschall-Transducer (TR) wird in dem Beispiel der der 4 direkt mittels der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) betrieben und angesteuert.
  • Die erste Leitung (DRV1) und die zweite Leitung (DRV2) des Treibers (DRV) sind Ausgänge. Dies erschwert einen wirksamen ESD-Schutz, weil über diese beiden Leitungen (DRV1, DRV2) die Sendeenergie in den Wandler eingebracht werden muss und jedes ESD-Schutzelement in der Zuleitung den Treiberwirkungsgrad absenken würde.
  • Über zwei Kapazitäten wird das Empfangssignal mittels eines ersten Eingangssignals (AING) für die Einkopplung des Empfangssignals des Transducers (TR) in den Ansteuerschaltkreis (USctr), das die Rolle einer Signalmasse spielt, und mittels eines zweiten Eingangssignals (AINS) für die Einkopplung des Empfangssignals des Transducers (TR) in den Ansteuerschaltkreis (USctr), das die Rolle des Signals spielt, abgegriffen und der Verarbeitung zugeführt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit nehmen wir hier beispielhaft an, dass die zweite Zuleitung (5, 2) mit der zweiten Leitung (DRV2) und kapazitiv mit dem zweiten Eingangssignal (AING) verbunden ist. Analog nehmen wir an, dass die erste Zuleitung (4, 2) mit der ersten Leitung (DRV1) und kapazitiv mit dem ersten Eingangssignal (AINS) verbunden ist.
  • Aus der JP S61-29 596 U ist eine Ultraschallsendevorrichtung bekannt, bei der ein piezoelektrisches Schwingelement (Bezugszeichen 12 der JP S61-29 596 U) auf einem Montagelement (Bezugszeichen 11 der JP S61-29 596 U) montiert wird. Die Montage geschieht dabei auf einer freigestanzten oder freigeätzten Montageinsel (Bezugszeichen 11-2 der JP S61-29 596 U), die über vier kreuzförmig symmetrisch angeordnete Stege (Bezugszeichen 11-1 der JP S61-29 596 U9 die mechanische Verbindung zu einem verbleibenden Rahmen, der Teil des Montagelementes (Bezugszeichen 11 der JP S61-29 596 U) ist, herstellen. Diese Anordnung aus Montageelement (Bezugszeichen 11 der JP S61-29 596 U) und piezoelektrischem Schwingelement (Bezugszeichen 12 der JP S61-29 596 U) ist in ein Gehäuse (Bezugszeichen 13 der JP S61-29 596 U) eingebaut. Die Stege (Bezugszeichen 11-1 der JP S61-29 596 U) stellen mechanische Federn dar, die bei Anregung des piezoelektrischen Schwingelements (Bezugszeichen 12 der JP S61-29 596 U) mit der Masse des Schwingsystems bestehend aus Montageelement (Bezugszeichen 11 der JP S61-29 596 U) und piezoelektrischem Schwingelement (Bezugszeichen 12 der JP S61-29 596 U) ein resonanzfähiges Schwingungssystem bilden. Das System wir durch eine perforierte Abdeckplatte mit Schalldurchtrittsöffnungen (Bezugszeichen 10 der JP S61-29 596 U) mechanisch vor dem Eindringen von Fremdkörpern geschützt. Dieses System hat den Vorteil, dass mittels eines größeren piezoelektrischen Schwingkörpers (Bezugszeichen 12 der JP S61-29 596 U) sehr hohe Schallpegelleistungen abgestrahlt werden können. Neben dem Nachteil der Materialermüdung der Federn (Bezugszeichen 11-1 der JP S61-29 596 U) weist dieses System aber nur eine Hauptresonanzfrequenz auf und ist daher für den erfindungsgemäßen Zweck alleine nicht geeignet.
  • Ein ähnliches System ist aus der JP S60-111 199 U bekannt. Hierbei weist das Montageelement (Bezugszeichen 3-2 der JP S60-111 199 U ) jedoch keine Durchbrüche auf. Das Montageelement bildet hier eine homogene rotationssymmetrische Fläche und weist wie im Falle der JP S61-29 596 U nur eine Resonanzfrequenz auf.
  • Aus der US 2010/0 060 111 A1 ist ein MEMS Oszillator bekannt, der mittels Durchbrüchen mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen kann. (4 und Abschnitt [0064] der US 2010/0 060 111 A1) Es ist bekannt, dass solche MEMS Oszillatoren derzeit keine ausreichende Schallabstrahlleistung erreichen, um beispielsweise eine Ultraschallmessvorrichtung für die Verwendung in einer Einparkhilfe für ein Kfz damit aufbauen zu können. Darüber hinaus sind solche MEMS-Vorrichtungen gegenüber den beiden vorausgehenden japanischen Konstruktionen zu teuer.
  • Aus diesem Kostenaspekt heraus ist es auch notwendig, Übertrager zwischen dem piezoelektrischen Schwingelement und dem Ansteuerschaltkreis, wie beispielsweise aus der JP H03-182 200 A bekannt, zu vermeiden. Eine solche direkte Ansteuerung führt aber bei ungeeigneter Konstruktion zu ESD-Problemen.
  • Aus der Literatur (z. B. John R. Vig, „Dual-mode Oscillators for Clocks and Sensors”, 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 859 bis 868) ist bekannt, dass piezoelektrische Schwingelemente bei drei verschiedenen Resonanzgrundfrequenzen, bei einer quasi-longitudinalen Mode und bei einer schnellen Quasi-Scheer-Mode und bei einer langsamen Quasi-Scheer-Mode, und deren Oberwellen angeregt werden können. (Siehe John R. Vig, „Dual-mode Oscillators for Clocks and Sensors”, 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, 1) Diese Resonanzfrequenzen werden im Folgenden und in den Ansprüchen als Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements bezeichnet.
  • Aus der US 4 283 649 A ist ein Ultraschallwandler mit einem zusammengeseten Schwingkörper bekannt, der einen zusätzlichen Resonator aufweist. Der zusammengesetzte Schwingkörper erzeugt eine erste Resonanz durch einen Kolbenvibrationsmodus im unteren Frequenzbereich und eine zweite Resonanz durch einen Biegeschwingungsmodus im höheren Frequenzbereich bezogen auf eine Mittenfrequenz. Der zusammengesetzte Schwingkörper ist an einer isolierenden Basis mittels eines ringförmigen elastischen Elements befestigt, wodurch dessen Resonanzcharakteristik aufgrund des Kolbenvibrationsmodus verbessert wird. Die Vorrichtung weist verschiedene Merkmale auf, die den Qualitätsfaktor der zweiten Resonanz durch eine Biegeschwingung reduzieren. Die Einstellung einer zweiten Resonanzfrequenz erfolgt also über die Anregung verschiedner kristallbedingter Schwingungsmodies des Schwingelements (Bezugszeichen 11 der US 4 283 649 A).
  • Aus der US 2011/0 042 014 A1 ist eine Ultraschall-Schwingungseinheit mit einem Wandler und einer Sonotrode (Bezugszeichen 1 der US 2011/0 042 014 A1), die wahlweise über einen Amplituentransformator (Bezugszeichen 2 der US 2011/0 042 014 A1) mit dem Wandler verbunden ist bekannt. wobei die Sonotrode (Bezugszeichen 1 der US 2011/0 042 014 A1) eine Dichtfläche (Bezugszeichen 10 der US 2011/0 042 014 A1) aufweist, zur Befestigung der Ultraschallschwingeinheit an einem Maschinengestell aufweist. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Halter (Bezugszeichen 3 der US 2011/0 042 014 A1) als Montageelement direkt an der Sonotrode (Bezugszeichen 1 der US 2011/0 042 014 A1) befestigt ist.
  • Aus der WO 2015/112 452 A1 ist ein gekrümmter piezoelektrische Wandler bekannt. Der gekrümmte piezoelektrische Wandler weist ein Substrat, eine gekrümmte Trägerschicht mit einem peripheren Teil in Kontakt mit dem Substrat sowie ein gekrümmtes piezoelektrisches Element auf, das auf der gekrümmten Trägerschicht angeordnet ist. Das eigentliche Schwingelement wird durch eine Aluminium-Nitrid-Schicht (Bezugszeichen 22 der WO 2015/ 112 452 A1) gebildet, die mit einem durchbrochenen Silizium-Träger verbunden ist.
  • Aus der JP H11-069 491 A ist ein gekapselter piezoelektrischer Schwinger bekannt, bei dem das piezoelektrische Schwingelement (Bezugszeichen 1 der JP H11-069 491 A) auf der einen Seite mit einem mechanisch harten Material (Bezugszeichen 3 der JP H11-069 491 A) an dem Gehäuse (Bezugszeichen 2 der JP H11-069 491 A) befestigt ist und an der anderen Seite mit einem mechanisch weicheren Material (Bezugszeichen 4 der JP H11-069 491 A) befestigt ist. Das Gehäuse weist dabei eine Vertiefung auf.
  • Allen diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie keine Möglichkeit zur Erzeugung weiterer Resonanzfrequenzen aufweisen.-
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung als Schwingsystem aus Montagelement und piezoelektrischem Schwingkörper für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer, zur Verwendung für ultraschallbasierende Abstandsmessvorrichtungen für Einparkhilfen im Kfz vorgesehen ist, bereitzustellen, der Schall bei mehreren Resonanzfrequenzen abstrahlen kann, die von den Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingkörpers verschieden sind.
  • Diese Aufgabe wird durch Schwingsystem bestehend aus einen Montageelement und einem piezoelektrischen Schwingelement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausprägungen bilden die Unteransprüche.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Transducer (TR) mit mindestens einem piezoelektrischen Schwingelement (2). Das besondere Merkmal dieses Ultraschall-Transducers ist, dass er über ein Gehäuse (1) verfügt, das zumindest teilweise elektrisch leitend ist, und dass das Gehäuse (1) über einen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Gehäuseboden (1a) und mindestens eine zumindest teilweise elektrisch leitende, insbesondere metallische, Gehäusewand (1c) verfügt. Entscheidender unterschied zum Stand der Technik ist nun, dass das Gehäuse (1) gegenüber dem mindestens einem piezoelektrischen Schwingelement (2) elektrisch isoliert ist. Hierdurch kann das Gehäuse (1) separat geerdet werden und im Falle eines ESD-Ereignisses kann die Energie des ESD-Pulses nicht mehr über das Schwingelement (2) an die Ein- und Ausgänge (DRV1, DRV2, AING, AINS) der Ansteuerschaltung gelangen.
  • Eine typische Ausprägung des Ultraschall-Transducers zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse (1) des Ultraschall-Transducers mit mindestens einer elektrisch isolierenden und akustisch geeignet dämpfenden Verguss- oder Füllmassemasse (12) gefüllt, insbesondere ausgegossen, ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die mechanische Integrität des Ultraschall-Transducers (TR) über seine Lebensdauer zu gewährleisten und um ein rasches Abschwingen des Gehäuses zu ermöglichen. Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Gehäuse (1) mit einer elektrisch isolierenden und akustisch dämpfenden Verguss- oder Füllmassemasse (12) gefüllt, insbesondere ausgegossen, ist, die die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Schwingelements (2) des Ultraschall-Transducers pro Schwingungsperiode um mehr als 0,05% oder mehr als 0,1% oder mehr als 0,2% oder mehr als 0,5% oder mehr als 1% oder mehr als 2% oder mehr als 5% oder mehr als 10% dämpft.
  • Im Sinne dieser Offenbarung bedeutet „akustisch dämpfend”, dass dieses Material die Schwingungen in der Art dämpft, so dass nach Durchgang der akustischen Welle durch das betreffende akustisch dämpfende Material die Amplitude geringer ist. Die Vergussmasse ist daher in der Regel dämpfend ausgeführt, damit die Abstrahlung in das Sensorgehäuse selbst minimiert wird. Der Kleber sollte hingegen eine geringe akustische Dämpfung haben, damit Schallleistung und akustische Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den Bauformen aus dem Stand der Technik möglichst gleichwertig sind.
  • Typischerweise wird das mindestens eine piezoelektrische Schwingelement (2) mittels mindestens eines elektrisch isolierenden Klebers (3) in dem elektrisch leitenden Gehäuse (1) mechanisch an dem Gehäuseboden (1b) befestigt. Natürlich sind auch andere Befestigungsmethoden denkbar. Es hat sich aber gezeigt, dass diese Befestigungsmethode die vorteilhafteste ist. Der sich ergebende Vorteil im Unterschied zum Stand der Technik ist, dass das mindestens eine piezoelektrische Schwingelement (2) elektrisch von diesem Gehäuse (1) isoliert ist und somit die besagten ESD-Ereignisse nicht mehr an die Anschlüsse (DRV1, DRV2, AING, AINS) des Ansteuerschaltkreises (USctr) gelangen können.
  • Somit ist es vorzugsweise so, dass das mindestens eine piezoelektrische Schwingelement (2) des Ultraschall-Transducers (TR) mindestens einen ersten elektrischen Kontakt (2a) und mindestens einen zweiten elektrischen Kontakt (2b) aufweist, wobei zumindest diese beiden Kontakte (2a, 2b) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2) von dem Gehäuse (1) und/oder von einem elektrischen Anschluss (7) des Gehäuses (1) elektrisch isoliert sind. Sind weitere Kontakte vorhanden, so sollten diese die Isolation des Ansteuerschaltkreises (US) gegenüber ESD-Ereignissen nicht schmälern.
  • Typischerweise befindet sich dabei mindestens ein erster Kontakt (2a) auf der einer ersten Oberfläche des Schwingelements (2) und/oder mindestens ein zweiter Kontakt (2b) auf einer der ersten Oberfläche des Schwingelements (2) gegenüberliegenden, zweiten Oberfläche des Schwingelements (2).
  • Durch die Isolation des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2) vom Gehäuse (1) entsteht nun das Problem der elektrischen Kontaktierung des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelementes (2), die bisher im Stand der Technik von der Rückseite mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers (8) erfolgte und nun so nicht mehr möglich ist. Ein Ziel der Erfindung ist nämlich auch, die Komponenten aus dem Stand der Technik nicht verändern zu müssen. Dieses Kontaktierungsproblem wird durch mindestens ein elektrisch leitendes Montageelement, beispielsweise einen Montagering (6), gelöst, auf dem das mindestens eine piezoelektrische Schwingelement (2) elektrisch leitend mit mindestens einem zweiten Kontakt (2b) mechanisch befestigt wird. Dieser zweite Kontakt (2b) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2) ist somit mit mindestens einem elektrisch leitenden und/oder halbleitenden Montagelement (6, 6, 6c, 6d, 6e), insbesondere einem elektrisch leitenden Montagering (6), elektrisch und mechanisch verbunden, wobei die elektrische Verbindung beispielsweise durch mindestens einen elektrisch leitenden Kleber und/oder Lötung und/oder Schweißung erfolgt oder erfolgen kann.
  • Theoretisch möglich, aber nicht zweckmäßig, ist eine rein mechanische Verbindung beispielsweise mit elektrisch isolierendem Kelber, da dann der elektrische Kontakt separat hergestellt werden müsste.
  • Durch die Form und die Art der mechanischen Verbindung des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) können die Schwingungseigenschaften und die Schallabstrahlung sowie die Empfangseigenschaften modifiziert werden. Dies ist der Kern der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Schwingsystem bestehet in erster Line aus einem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) als Schwingkörper und mindestens einem die Schwingung dieses Schwingkörpers antreibenden piezoelektrische Schwingelement (2) pro Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j). Es ist typischerweise für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer (TR) für die Verwendung in einem Kfz vorgesehen. Das piezoelektrische Schwingelement (2) des Schwingsystems ist mit dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) mechanisch verbunden. Typischerweise wird die mechanische Verbindung zwischen piezoelektrischem Schwingelement (2) des Schwingsystems und dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) durch eine Klebung mittels eines Klebers und/oder eine Lötung und/oder Schweißung hergestellt. Das Schwingsystem wird typischerweise mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1, 1a, 1c) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden. Andere Montagemethoden wie beispielsweise Schweißen, Löte und Einpressen und andere bekannte Verbindungsformen sind denkbar. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die mechanische Verbindung zwischen dem Schwingsystem, bestehend aus dem Schwingelement (2) und dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) im Bereich des Schwingelementes (2) so, dass die kürzeste Verbindungslinie von dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1, 1a, 1c), in das das Schwingsystem montiert werden soll, den elastischen Kleber (3) schneidet. Ohne diese Elastizität des Klebers wäre das System nicht schwingfähig. Der Kleber weist dabei Verluste in Form einer Schalldämpfung auf, die vorzugsweise so gestaltet werden, dass das Schwingsystem such Schallabstrahlung und Kleberdämpfung asymptotisch schnell ausschwingt, wenn das Schwingelement nicht mehr betrieben wird. Der Kleber und seine Positionierung unterhalb des Schwingelementes sind also kritisch für eine gute Empfangsperformance, um eine Schallreflektion auch bei kurzen Abständen gut erfassen zu können. Das erfindungsgemäße Schwingsystem des Ultraschall-Transducers bestehend aus Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und piezoelektrische Schwingelement (2) zeichnet sich nun im Gegensatz zum Stand der Technik dadurch aus, dass bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelementes (2) durch einen Ansteuerschaltkreis (USctr) zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz und ggf. weitere Resonanzfrequenzen, angeregt werden können, die voneinander verschieden sind. Insbesondere ist dabei zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von den drei Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelementes (2) und den Frequenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden. Hierbei beziehen sich diese Frequenzen auf die Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements ohne anmontiertes Montageelement. Die Grundidee der Erfindung ist also, Eigenschwingungen eines Montagelementes mit einem diskreten größeren Schwingelement anzuregen. Um mehrere Eigenfrequenzen des Montageelementes, oder besser des Schwingsystems bestehend aus Montageelement und piezoelektrischem Schwingelement zu ermöglichen, wird die Struktur des Montageelementes geeignet modifiziert. Hierzu verfügt das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) typischerweise über mindestens eine Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung, die mehrere Eigenmoden des Montageelements ermöglicht. Eine solche Aussparung kann auch eine Aus- oder Einbuchtung der Kante des Montageelements sein. Das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz hängt dann von einem Durchmesser und/oder der Lage dieser Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aus- und/oder Einbuchtung und/oder Aussparung und/oder Vertiefung auf dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) ab.
  • Eine verfeinerte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) mindestens ein Muster von Öffnungen (10) auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und/oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und/oder Erhöhungen (10b) auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) aufweist, das bei translatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) um zumindest einen ersten Abstand n1·α1 und/oder einen zweiten Abstand m1·a2, wobei n1 und m1 ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Gitter auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) bildet. Dabei hängt das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von dem ersten Abstand a1 und typischerweise von dem ersten Abstand a2 sowie dem Winkel zwischen den zugehörigen Richtungen dieser Abstände (a1, a2) ab.
  • Analog kann das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) mindestens ein Muster von Öffnungen (10) auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und/oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und/oder Erhöhungen (10b) auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) aufweisen, das bei rotatorischer Verschiebung um eine Symmetrieachse längs einer Oberfläche des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) um zumindest einen ersten Winkel n3·ϑ1 wobei n3 eine ganze Zahl ist, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird,. Es bildet also ebenfalls typischerweise ein ein- oder zweidimensionales rotatorisches Gitter auf einer Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j). In diesem Fall hängt nun das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von dem ersten Winkel ϑ1 ab.
  • Das Schwingsystem des Ultraschal-Transducers und damit der der Ultraschall-Transducer selbst weist typischerweise zumindest zwei voneinander verschiedene Güten oder Resonanzbandbreiten, eine erste Güte oder erste Resonanzbandbreite bei der ersten Resonanzfrequenz auf der einen Seite und eine zweite Güte oder zweite Resonanzbandbreite bei der zweiten Resonanzfrequenz auf der anderen Seite, aufweist. Dies kann beispielsweise durch geeignete Anordnung von Klebestellen zwischen Montageelement und Gehäuse erreicht werden.
  • Auf ähnliche Weise kann der Ultraschall-Transducer zwei und mehr voneinander verschiedene Abstrahlcharakteristiken, eine erste Abstrahlcharakteristik bei der ersten Resonanzfrequenz und eine zweite Abstrahlcharakteristiken bei der zweiten Resonanzfrequenz, aufweisen. Dabei ist Abstrahlcharakteristik so zu verstehen, dass die durch das Schwingsystem abgestrahlte Schallamplitude pro Steradiant in den Raum hinein von dem Winkel zwischen der Verbindungsachse vom dem Punkt, an dem die Schallamplitude erfasst wird, zu einem Aufpunkt der zur Flächennormale (14) zur Oberfläche (2a) auf der einen Seite und der entsprechenden Flächennormale (14) zur Oberfläche (2a) des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) auf der anderen Seite abhängt.
  • Wie bereits erwähnt kann die Fläche des Montagelementes variiert werden, um die geeigneten akustischen Eigenschaften hervorzurufen. Insbesondere kann eine erste ebene Querschnittsfläche eines Montagelements (6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere des Montagerings (6), die senkrecht zur Flächennormale einer Oberfläche des Montageelementes (6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere des Montagerings (6), ist, eine andere Form haben als eine zweite ebene Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2), die ebenfalls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) ist. Hierbei ist es besonders sinnvoll, wenn das Montageelement mit akustischen Stichleitungen versehen ist, die vorzugsweise jede für sich einen Resonator für die gewünschte Resonanzfrequenz darstellt. In besonderen Ausprägungen der Erfindung wird somit der Flächenschwerpunkt der Oberfläche des Montageelementes (6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) gegenüber dem Flächenschwerpunkt einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) versetzt angeordnet.
  • Bei einer geeigneten Kombination von solchen akustischen Leitungen und Dämpfungselementen in Form eines geeigneten, nur lokal angebrachten Klebers 10 kann erreicht werden, dass die Schallabstrahlachse (11) Schwingsystems des Ultraschall-Transducers (TR) nicht parallel zur die Oberflächennormalen (14, 15) der ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist. Dies aus der Literatur (z. B. US4413629 ) nur bei Verwendung mehrerer Schwingsysteme bekannt.
  • Ganzbevorzugt wird das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) mit mindestens einer Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung unterhalb des Schwingelements (2) versehen, um die Biegesteifigkeit des Montagelements anzupassen. Dies hat den Zweck die Akustische Impedanz des Montageelementes als akustische Schalleitung im Bereich des Schwingelementes an die akustische Impedanz des Schwingelementes anzupassen und ist so in dieser Funktion aus der Literatur nicht bekannt. Es ist somit die Funktion dieser Öffnung, die Energieeinkopplung vom piezoelektrischen Schwingelement in das Montageelement zu verbessen.
  • Ganz bevorzugt weist das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) das besagte Gitter auf. Vorzugsweise wird die Gitterstruktur hexagonal oder quadratisch ausgeführt. Die Gittersymmetrie also vorzugsweise vier oder sechszählig.
  • Vorzugsweise weist das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) oder ein Teil desselben, z. B. eine akustische Stichleitung, mindestens ein Längenmaß auf, das ein ganzzahliges (k-faches) Vielfaches der mittleren Schallwellenlänge (λ) im Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) geteilt durch vier ist (k·λ/4).
  • Ein wesentliches Element eines solchen akustischen Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) kann sein, dass es eine akustische Abzweigleitung, z. B. als akustische Stichleitung, aufweist. Eine solche Stichleitung kann frei im Raum enden oder durch einen geeigneten Kleber am Ende fixiert sein. Dieser akustische Abschluss kann durch die Wahl des Klebers und die Prozessierung des Klebevorgangs geeignet angepasst werden. Hierdurch können beispielsweise λ/2 und λ/4 Resonatoren erzeugt werden.
  • Neben dem Montageelement selbst kann auch das Gehäuse geeignet strukturiert werden. Beispielsweise kann der Ultraschall-Transducer (TR) zumindest eine weitere Struktur im Gehäuseboden aufweisen, die ein Muster von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen aufweist, das bei translatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des Gehäusebodens (1b) um zumindest einen ersten Abstand n2·a3 und/oder einen zweiten Abstand m2·a4, wobei n2 und m2 ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter bildet.
  • Von besonderer Bedeutung ist dabei eine Schaltung zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Schwingsystems die eine Ansteuerschaltung (USctr) zumindest als Teilschaltung aufweist, wobei die Ansteuerschaltung (USctr) über eine erste elektrische Leitung (DRV1) und eine zweite elektrische Leitung (DRV2) direkt und vor allem übertragerlos mit dem piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems elektrisch verbunden ist. Die Ansteuerschaltung (US) kann dabei ein elektrisches spannungsmoduliertes Sendesignal mit einer Sendefrequenz über die erste Leitung (DRV1) und die zweite Leitung (DRV2) an das piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems anlegen. Die Ansteuerschaltung (USctr) umfasst dabei mindestens einem ersten Inverter bestehend aus mindestens einem ersten Transistor (T1), der mit einem ersten Sendesignal (Φ1a) angesteuert wird, und mindestens einem zweiten Transistor (T3), der mit einem komplementären ersten Sendesignal (Φ1b) angesteuert wird. Dabei treibt der erste Inverter die zweite Leitung (DRV2) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2). Die Ansteuerschaltung (USctr) umfasst mindestens einen zweiten Inverter bestehend aus mindestens einem zweiten Transistor (T2), der mit einem zweiten Sendesignal (Φ2a), das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal (Φ1a) sein kann, angesteuert wird, und mindestens einem vierten Transistor (T4), der mit einem komplementären zweiten Sendesignal (Φ2b), das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal (Φ1b) sein kann, angesteuert wird. Der zweite Inverter treibt die erste Leitung (DRV1) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2). Die Ansteuerschaltung (USctr) schaltet typischerweise während des Empfangs die Sendesignale (Φ1a, Φ1b, Φ2a, Φ2b) und damit die Transistoren (T1, T2, T3, T4) zumindest zeitweise ab. Vorzugsweise kann die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine erste Sendefrequenz erzeugen, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die erste Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt. Darüber hinaus kann bevorzugt die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine zweite Sendefrequenz ggf. auch gleichzeitig zur ersten Sendefrequenz erzeugen, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die zweite Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt.
  • Der erfindungsgemäße Ultraschall-Transducer kann somit durch eine geeignete Wahl und Gestaltung des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) nicht nur eine, sondern zwei oder drei oder auch mehr Resonanzfrequenzen, insbesondere eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz und ggf. eine dritte Resonanzfrequenz und ggf. weitere Resonanzfrequenzen aufweisen, die voneinander verschieden sind. Dabei werden die Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und die Aufbautechnik mit Klebungen (3, b) so gestaltet, dass die Güte der jeweiligen Resonanzschwingung bei jeder Resonanzfrequenz für sich eigenen frequenzspezifischen Anforderungen genügt. Der erfindungsgemäße Ultraschall-Transducer weist daher zumindest zwei voneinander verschiedene Güten oder Resonanzbandbreiten, eine erste Güte oder erste Resonanzbandbreite bei einer ersten Resonanzfrequenz auf der einen Seite und eine zweite Güte oder zweite Resonanzbandbreite bei einer zweiten Resonanzfrequenz auf der anderen Seite, auf. Diese stellen ein Mittel dazu dar, die Abstrahlcharakteristiken mittels frequenzspezifischer Anregungen durch einen Ansteuerschaltkreis (USctr) im Betrieb je nach anfallender Messaufgabe ohne Konstruktionsänderung durch einfache Frequenzumschaltung umschalten zu können. Der erfindungsgemäße Ultraschall-Transducer (TR) weist daher zumindest zwei voneinander verschiedene Abstrahlcharakteristiken, eine erste Abstrahlcharakteristiken bei einer ersten Resonanzfrequenz und eine zweite Abstrahlcharakteristiken bei einer zweiten Resonanzfrequenz, auf. Diese wiederum sind ein Mittel, um zwischen zumindest zwei Messaufgaben, beispielsweise Nahbreichsabstandsmessung beim Einparken mit einem Kfz und Fernbereichsabstandsmessung beim suchen einer Parklücke umschalten zu können, was das letztendliche Ziel ist.
  • Es ist daher möglich, dass es abhängig von der Anwendung sinnvoll ist, wenn zumindest eine erste ebene Querschnittsfläche zumindest eines Montagelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere des Montagerings (6), die senkrecht zur Flächennormale einer Oberfläche des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere eines Montagerings (6), ist, eine andere Form hat als zumindest eine zweite ebene Querschnittsfläche zumindest eines piezoelektrischen Schwingelements (2), die ebenfalls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) ist. Oder kürzer gesagt: Es ist sinnvoll, wenn die Form des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) vom dem des piezoelektrischen Schwingelements (2) abweicht. Diese Form, insbesondere die Außenkannte zumindest eines Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) kann relativ frei gewählt werden, hat jedoch immer Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Ultraschall-Transducers (TR). Dies ist insbesondere bei der Fertigung kleiner Stückzahlen von Ultraschall-Transducern (TR) von Vorteil, da die Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) beispielsweise durch fotolithografisches Ätzen und/oder Laserschneiden in kleinen Stückzahlen schnell und kostengünstig hergestellt werden können. Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Anpassung der Eigenschaften des Ultraschall-Transducers an spezifische Aufgaben möglich. Diese Flexibilität der akustischen Eigenschaften der Ultraschall-Transducer (TR) in der Produktion derselben ist somit ein Nebenprodukt der zuvor skizzierten ESD-Robustheit.
  • Durch diese Modifikationen und/oder beispielsweise den verkippten Einbau zumindest eines Pakets aus piezoelektrischem Schwingelement (2) und Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) kann erreicht werden, dass die Schallabstrahlachse (11) des Ultraschall-Transducers (TR) nicht parallel zur einer Oberflächennormalen (14, 15) einer ersten oder zweiten Oberfläche des betreffenden piezoelektrischen Schwingelements (2) ist. Dabei wird die Oberfläche als erste Oberfläche des betreffenden piezoelektrischen Schwingelements (2) bezeichnet, die den ersten Kontakt (2a) des betreffenden piezoelektrischen Schwingelements (2) trägt. Alternativ kann die Schallabstrahlachse (11) des Ultraschall-Transducers (TR) auch nicht parallel zu einer Gehäuseachse (13) und/oder einer Symmetrieachse des Gehäuses (1c) und/oder der Gehäusewände (1c) und/oder zu einer Flächennormale einer inneren oder äußeren Oberfläche des Gehäusebodens (1b) des Gehäuses (1) sein.
  • Was für die Schallabstrahlachse (11) gilt, kann auch für die Oberflächennormale (14, 15) einer Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) erreicht werden. Auch diese kann nicht parallel zu einer Gehäuseachse (13) und/oder einer Symmetrieachse des Gehäuses (1c) und/oder der Gehäusewände (1c) und/oder zu einer Flächennormale einer inneren oder äußeren Oberfläche des Gehäusebodens (1b) des Gehäuses (1) angeordnet werden.
  • Typischerweise wird das Gehäuse (1) des Ultraschall-Transducers becherförmig ausgeführt. Dabei ist die Aufbauhöhe (h) aus Kleber (3) und optionalem Montageelement oder optionalem Montagering (6) und Schwingelement (2) kleiner als die Höhe (hG) des Gehäuses (1).
  • Gleichzeitig ist typischerweise der Abstand (d) zwischen der ersten Oberfläche des Schwingelements (2) und der Oberkannte des becherförmigen Gehäuses (1) größer als die Aufbauhöhe (h).
  • Die Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) können relativ frei gestaltet werden. Eine besonders einfache und erfahrungsgemäß vorzugsweise Form ist die eines elektrisch leitenden Blechringes. In diesem Fall weise das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) für den erfindungsgemäßen Ultraschall-Transducer (TR) mit erfindungsgemäßem Schwingsystem mindestens eine Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung auf, die die mechanischen Eigenschaften des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) an einer Stelle des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) modifizieren. Hierdurch kann beispielsweise lokal dass mittlere E-Modul geändert werden. Hierbei erfolgt die Mittelung über die Öffnung hinweg. Ein Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) kann einzelne oder auch mehrere Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d, 10, 20) und/oder einzelne oder auch mehrere Aussparungen und/oder einzelne oder auch mehrere Vertiefungen aufweisen. Einzelne oder mehrere Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d, 10, 20) können komplett oder auch nur teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement (2) angeordnet sein. Einzelne oder mehrere Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d, 10, 20) können komplett über oder auch nur teilweise über dem elektrisch isolierenden Kleber (3) angeordnet sein. Einzelne oder mehrere Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d, 10, 20) können komplett über oder auch nur teilweise in einem Bereich eines Überhangs (6g, L) des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), der später näher erläutert wird, angeordnet sein.
  • Einzelne oder mehrere Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d, 10, 20) können beispielsweise zylinderförmige Durchbrüche oder Schlitze oder Öffnungen anderer Form in dem jeweiligen Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) sein. Es kann sich aber auch nur um einzelne oder auch mehrere Sacklöcher, einzelne oder auch mehrere Kerben oder einzelne oder auch mehrere andere Vertiefungen von der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des jeweiligen Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) her handeln.
  • Es ist es denkbar, dass ein Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) statt der einzelnen oder auch mehreren Öffnungen oder einzelnen oder auch mehreren Vertiefungen und/oder einzelnen oder auch mehreren Aussparungen oder auch gleichzeitig mit diesen, in umgekehrter Weise auch einzelne oder auch mehrere Erhöhungen aufweist. Diese einzelnen oder auch mehreren Erhöhungen können beispielsweise einzelne oder auch mehrere abstehende Zylinder oder einzelne oder auch mehrere Nuten oder einzelne oder auch mehrere Ausstülpungen anderer Form an dem jeweiligen Montageelement an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des jeweiligen Montageelementes sein.
  • Einige dieser einzelne oder auch mehrere Öffnungen können beispielsweise in einem zwei- oder eindimensionalem Gitter mit einer Elementarzelle angeordnet werden. Dabei wiederholt sich die Anordnung der Strukturen – z. B. Öffnungen und Erhöhungen – der Elementarzelle bei Verschiebung längs einer Oberfläche des jeweiligen Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) um mindestens einen Gittervektor in mindestens eine Gitterrichtung. Eine besondere Ausprägung eines erfindungsgemäßen Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) weist daher mindestens ein Muster – die besagte Elementarzelle – von Öffnungen (10) und/oder Erhöhungen (10b) auf, das bei translatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des besagten Montageelements um zumindest einen ersten Abstand n1·a1 und/oder einen zweiten Abstand m1·a2, wobei n1 und m1 ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter bildet.
  • Besonders geeignete Muster lassen sich mittels der Anordnung in einem quadratischen hexagonalen Gitter erzeugen. In diesem Fall ist dann die Gitterstruktur des zweidimensionalen Gitters hexagonal oder quadratisch. Die Gittersymmetrie ist dann vier oder sechszählig. Natürlich sind auch rechteckige und/oder rhombische Gitter denkbar.
  • Diese Strukturen können grundsätzlich auch in den Gehäuseboden (1b) eingebracht werden. Eine Ausprägung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Transducers zeichnet sich somit unter anderem dadurch aus, dass der Ultraschall-Transducer zumindest eine weitere Struktur im Gehäuseboden aufweist, die in ähnlicher Weise zum Montageelement ein Muster von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen – die besagte Elementarzelle – aufweist, das bei translatorischer Verschiebung um zumindest einen ersten Abstand n2·a3 und/oder einen zweiten Abstand m2·a4, wobei n2 und m2 ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter bildet.
  • Hierbei kann die Dreidimensionalität dadurch erreicht werden, dass zumindest der Gehäuseboden aus mehreren Schichten mit einem jeweils zweidimensionalen Gitter zusammenlaminiert wird.
  • Durch diese Methodik wird prinzipiell auch eine Optimierung in der Hinsicht ermöglicht, dass der Transducer (TR) mehr als eine Resonanzfrequenz aufweisen kann und dabei eine unterschiedliche Güte aufweisen kann. Ist eine Ansteuerschaltung (US) nicht mehr so frequenzselektiv, kann ein Anwender bei den Strukturen des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) bzw. im Gehäuseboden (1b) die Absicht verwirklichen, bei einer ersten Frequenz eine Resonanz geringerer Güte der Resonanz und damit eine größere Frequenzbandbreite des Sensors zu erreichen, um insbesondere die Ausschwingzeit nach dem Aussenden des Sendepulses und damit den ”toten” Bereich, in dem ein auf dem Ultraschall-Transducer basierender Abstandssensor, beispielsweise ein Einparksensor eines Kfz, aufgrund dieses eigenen Ausschwingens noch keine Hindernisse wahrnehmen kann, zu minimieren und bei einer anderen, zweiten Frequenz im Gegensatz dazu eine Resonanz bessere Güte der Resonanz zu erreichen, um durch den längeren Sendeimpuls eine bessere Reichweite zu erreichen.
  • Dementsprechend kann die Ansteuerschaltung (USctr) so ausgebildet werden, dass sie je nach gerade gewünschter Messaufgabe beispielsweise für eine erste Messaufgabe, beispielsweise eine Abstandsmessung in Nahbereich mit kurzer Ausschwingzeit, ein Sendesignal auf der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) nutzt, das eine erste Sendesignalfrequenz hat, die zu einer Resonanz des Ultraschall-Transducers (TR) in einer ersten Resonanzfrequenz des Ultraschall-Transducers (TR) mit einer ersten Güte und einer ersten Abstrahlcharakteristik führt, und für eine zweite Messaufgabe, beispielsweise eine Abstandsmessung in Fernbereich mit langer Ausschwingzeit, ein Sendesignal auf der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) nutzt, das eine zweite Sendesignalfrequenz hat, die zu einer Resonanz des Ultraschall-Transducers (TR) in einer zweiten Resonanzfrequenz des Ultraschall-Transducers (TR) mit einer zweiten Güte und einer zweiten Abstrahlcharakteristik führt. Natürlich ist es denkbar, mehr als zwei Messaufgaben mit ggf. mehr als zwei Sendefrequenzen und mit ggf. mehr als zwei Resonanzfrequenzen und ggf. mehr als zwei Güten und ggf. mehr als zwei Abstrahlcharakteristiken vorzusehen.
  • Mit Hilfe eines somit elektrisch gegenüber dem Gehäuse (1) isolierten piezoelektrischen Schwingelements (2) kann nun eine elektrische Schaltung aufgebaut werden. Diese Schaltung zur Ansteuerung eines Ultraschall-Transducers (TR) mit einem erfindungsgemäßen Schwingelement umfasst mindestens ein piezoelektrisches Schwingelement (2) des Ultraschall-Transducers (TR) und die Ansteuerschaltung (DRV) Diese wiederum umfasst als Teil der Schaltung mindestens einen ersten Inverter bestehend aus mindestens einem ersten Transistor (T1) und mindestens einem zweiten Transistor (T3). Der erste Transistor (T1) wird mit einem ersten Sendesignal (Φ1a) angesteuert. Der zweite Transistor (T3) wird mit einem dazu komplementären ersten Sendesignal (Φ1b) angesteuert. Diese Transistoren (T1, T3) treiben eine zweite Leitung (DRV2) zur direkten differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2). Des Weiteren umfasst die Schaltung mindestens einen zweiten Inverter bestehend aus mindestens einem zweiten Transistor (T2), der mit einem zweiten Sendesignal (Φ2a), das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal (Φ1a) sein kann, angesteuert wird. Darüber hinaus umfasst die Schaltung mindestens einem vierten Transistor (T4), der mit einem komplementären zweiten Sendesignal (Φ2b), das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal (Φ1ab) sein kann, angesteuert wird. Die beiden Transistoren (T2, T4) treiben eine erste Leitung (DRV1) zur direkten differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2). Da die Sendesignale den Empfang stören würden, schalten die Sendesignale (Φ1a, Φ1b, Φ2a, Φ2b) während des Empfangs die Transistoren (T1, T2, T3, T4) zumindest zeitweise ab. Damit dies funktioniert, ist mindestens ein piezoelektrisches Schwingelement (2) vorzugsweise in einem zumindest becherförmig ausgeführten Faraday'schen Käfig, einem Gehäuse (1), montiert. Dieses Gehäuse (1) ist bevorzugt von der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) und dem piezoelektrischen Schwingelement (2) elektrisch isoliert und durch einen Anschluss (ESD_GND) auf ein gegenüber den anderen Teilen der Schaltung definiertes Potenzial, vorzugsweise eine ESD-Masse, gelegt.
  • Um den Einfluss des Gehäuses (1) durch kapazitive Kopplung und dergleichen auf den Rest der Schaltung zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn dass das Gehäuse (1) des Ultraschall-Transducers (TR) mit einer niederohmigen Spannungsquelle oder mit einer Kapazität beispielsweise gegen Signalmasse oder mit dem Anschluss an eine Versorgungsspannungsleitung oder eine Masseleitung als ESD-Erdung verbunden ist.
  • Damit ein piezoelektrische Schwingelement (2) anschwingen kann, ist es vorteilhaft, wenn das betreffende piezoelektrische Schwingelement (2) isoliert von der ESD-Erdung über zwei Leitungen (DRV1, DRV2) angesteuert werden kann und ein geeignetes Ansteuersignal als Spannung zwischen diesen beiden Leitungen (DRV2, DRV1) angelegt wird, das mindesten eine Flanke und/oder Polaritätswechsel vorzugsweise in digitaler Form aufweist. In dem Fall kann ein solches piezoelektrisches Schwingelement (2) mit einem digitalen Signal angeregt werden.
  • Neben dem Ultraschall-Transducer (TR), den Montageelementen (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und der zugehörigen Ansteuerschaltung umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschall-Transducers (TR).
  • Dieses umfasst in einer ersten Ausprägung die Schritte:
    • • Bereitstellen eines Gehäuses (1),
    • • Einbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Klebemasse (3) in das Gehäuse (1),
    • • mechanisches Verbinden mindestens eines elektrisch leitenden Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere eines Montagerings (6), mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Klebemasse (3)
    • • Einbringen mindestens eines piezoelektrischen Schwingelementes (2) in das Gehäuse (1),
    • • mechanisches Verbinden des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelementes (2), das mindestens einen ersten elektrischen Kontakt (2a) und mindestens einen zweiten Kontakt (2b) aufweist, mit der mindestens elektrisch isolierenden Klebemasse (3),
    • • mechanisches und elektrisches Verbinden des mindestens einen Schwingelementes (2) mittels mindestens eines zweiten Kontakts (2b) mit dem mindestens einen elektrisch leitenden Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere dem Montagering (6),
    • • elektrisches Verbinden mindestens einer ersten elektrischen Zuleitung (4) mit dem mindestens einen ersten elektrischen Kontakt (2a) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2),
    • • elektrisches Verbinden mindestens einer zweiten elektrischen Zuleitung (5) mit dem mindestens einen zweiten elektrischen Kontakt (2b) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2) und/oder mit dem mindestens einen elektrisch leitenden Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere dem elektrisch leitenden Montagering (6),
    • • ggf. elektrisches Verbinden mindestens einer dritten elektrischen Zuleitung (7) mit dem Gehäuse (1).
  • Hierbei werden die Schritte vorzugsweise in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
  • Allerdings kann auch mindestens ein piezoelektrisches Schwingelement (2) mit mindestens einem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) zuerst verbunden werden und dann in das Gehäuse (1) eingesetzt werden. Das zugehörige Verfahren umfasst dann die Schritte:
    • • Bereitstellen eines Gehäuses (1),
    • • Einbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Klebemasse (3, 3b) in das Gehäuse (1),
    • • mechanisches und elektrisches Verbinden mindestens eines Schwingelementes (2), das mindestens einen ersten elektrischen Kontakt (2a) und mindestens einen zweiten Kontakt (2b) aufweist, mittels mindestens eines zweiten Kontakts (2b) mit mindestens einem elektrisch leitenden Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere dem Montagering (6),
    • • Einbringen des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelementes (2) und des mindestens einen Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e) in das Gehäuse (1),
    • • mechanisches Verbinden des mindestens einen elektrisch leitenden Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e), insbesondere eines Montagerings (6), mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Klebemasse (3, 3b) und mechanisches Verbinden des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelementes (2) mit der mindestens einen elektrisch isolierenden Klebemasse (3, 3b),
    • • elektrisches Verbinden mindesten einer ersten elektrischen Zuleitung (4) mit dem mindestens einen ersten Kontakt (2a) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2),
    • • elektrisches Verbinden mindestens einer zweiten elektrischen Zuleitung (5) mit dem mindestens einen zweiten Kontakt (2b) des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements (2) und/oder mit dem mindestens einen elektrisch leitenden Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere dem elektrisch leitenden Montagering (6),
    • • ggf. elektrisches Verbinden mindestens einer dritten elektrischen Zuleitung (7) mit dem Gehäuse (1)
  • Auch hier folgt der Prozess der Herstellung vorzugsweise der oben angegebenen Sequenz.
  • Zusätzlich kann mindestens ein Zwischenraum zwischen mindestens einem Überhang (6g) mindestens eines Montageelements (6e) und dem Gehäuseboden (1b) noch mit mindestens einer speziellen Masse (18) verfüllt werden. Dies geschieht üblicherweise vor dem Einbringen des betreffenden Montageelementes (6e) in das Gehäuse (1). Die Masse kann aber auch nach diesem Einbringen ggf. durch Öffnungen (17, 10) in den betreffenden Zwischenraum eingespritzt werden. Beide zuvor beschriebenen Grundvarianten des Prozesses können daher um den Schritt „Einbringen mindestens einer Masse (18) oder mindestens eines Medium (18), die schließlich sich zwischen mindestens einem Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) befindet,” ergänzt werden. Wobei dieser Schritt an verschiedenen Stellen des jeweiligen Prozesses durchgeführt werden kann.
  • Zusätzlich kann das Gehäuse (1) auch noch mit mindestens einer Vergussmasse (12) vergossen werden. Alternativ können auch andere Füllstoffe eingebracht werden. Beide zuvor beschriebenen Grundvarianten des Prozesses können daher um den Schritt
    • • „Ausfüllen des Gehäuses (1) mit mindestens einer Vergussmasse oder mindestens einer Füllmasse (12)” ergänzt werden. Wobei dieser Schritt typischerweise als letzter Schritt des Prozesses durchgeführt wird.
  • Beschreibung der Figuren
  • Im Folgenden wird die Erfindung vertieft anhand der Figuren beschrieben.
  • 1 zeigt eine Ansteuerschaltung mit einem Übertrager für einen Ultraschall-Transducer entsprechend dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer entsprechend dem Stand der Technik.
  • 3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Sensormodul entsprechend dem Stand der Technik.
  • 4 zeigt eine Ansteuerschaltung ohne einen Übertrager für einen Ultraschall-Transducer entsprechend dem Stand der Technik.
  • 5 zeigt eine Treiberstufe des Ansteuerschaltkreises.
  • 6 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem.
  • 7 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, der vergossen ist.
  • 8 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ohne einen Übertrager für einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem.
  • 9 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem mit Gehäusesymmetrieachse.
  • 10 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, der vergossen ist.
  • 11 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist.
  • 12 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen, Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist.
  • 13 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist.
  • 14 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen, Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist.
  • 15 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist und wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist.
  • 16 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen, Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist und wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist.
  • 17a zeigt ein beispielhaftes Montagelement der 7, 9, 10, 11, 12 in der Aufsicht.
  • 17b zeigt ein beispielhaftes Montagelement der 13, 14, 15, 16 in der Aufsicht.
  • 18a zeigt ein beispielhaftes Montageelement bei dem nur die Öffnung verkleinert und asymmetrisch ist in der Aufsicht.
  • 18b zeigt ein beispielhaftes elliptisches Montageelement mit verkleinerter asymmetrisch platzierter Öffnung und einem Überhang mit einem zweidimensionalen Loch-Gitter (zweidimensionaler Kristall) in der Aufsicht.
  • 19 zeigt ein beispielhaftes rundes Montagelement mit einem beidseitig aufliegendem Überhang und zwei beispielhaften Bereichen mit einem beispielhaften zweidimensionalen Lochgitter in der Aufsicht.
  • 20 zeigt ein beispielhaftes rundes Montagelement mit einem beidseitig aufliegendem Überhang und vier beispielhaften Öffnungen (20) im Bereich dieses Überhangs in der Aufsicht.
  • 21 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter befindet.
  • 22 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen, Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter befindet.
  • 23 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter befindet und unterhalb des Überhangs im Gehäuseboden sich ein Einlegeelement befindet.
  • 24 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen, Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter befindet und unterhalb des Überhangs im Gehäuseboden sich Strukturelemente (hier Sacklöcher) befindet.
  • 25 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Gitter aus Erhöhungen befindet.
  • 26 zeigt eine Erweiterung von 19 um zwei akustische Stichleitungen (SL1 und SL2) zur Erzeugung mindestens zweier weiterer Resonanzfrequenzen.
  • Die weitere Beschreibung der Erfindung in ihren verschiedenen konkreten Ausprägungen erfolgt nun an Hand der 5 bis 25. Der beanspruchte Umfang ergibt sich dabei aus den Ansprüchen.
  • 5 zeigt eine typische Treiberschaltung (DRV) zur Ansteuerung der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2). Die Treiberschaltung (DRV) wird durch eine Versorgungsspannung (VDRV) mit elektrischer Energie versorgt, die typischerweise innerhalb des Ansteuerschaltkreises (USctr) aus der externen Versorgung (VSUP_LINE, 4) erzeugt wird. Ein erster Transistor (T1), der typischerweise ein p-Kanal-MOS-Transistor ist, wird mit einem ersten Signal (Φ1a) angesteuert und zieht die erste Leitung (DRV1), die typischerweise mit dem ersten Kontakt (2a) des piezoelektrischen Schwingelements (2) verbunden ist, auf ein positives Potenzial, wenn der erste Transistor (T1) einschaltet. Ein dritter Transistor (T3), der typischerweise ein n-Kanal-MOS-Transistor ist, wird mit einem ersten komplementären Signal (Φ1b) angesteuert und zieht die erste Leitung (DRV1), auf ein Massepotenzial, wenn der dritte Transistor (T3) einschaltet. Eine nicht gezeichnete Blockierschaltung verhindert das gleichzeitige Einschalten des ersten und dritten Transistors (T1, T3). Während des Empfangs sind der erste und dritte Transistor (T1, T3) ausgeschaltet.
  • Ein zweiter Transistor (T2), der typischerweise ein p-Kanal-MOS-Transistor ist, wird mit einem zweiten Signal (Φ2a) angesteuert und zieht die zweite Leitung (DRV2), die typischerweise mit dem zweiten Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) verbunden ist, auf ein positives Potenzial, wenn der zweite Transistor (T2) einschaltet. Ein vierter Transistor (T4), der typischerweise ein n-Kanal-MOS-Transistor ist, wird mit einem zweiten komplementären Signal (Φ2b) angesteuert und zieht die zweite Leitung (DRV2), auf ein Massepotenzial, wenn der vierte Transistor (T4) einschaltet. Eine nicht gezeichnete Blockierschaltung verhindert das gleichzeitige Einschalten des zweiten und vierten Transistors (T2, T3). Während des Empfangs sind der zweite und vierte Transistor (T2, T4) ebenfalls ausgeschaltet. Typischerweise sind das erste und zweite Signal zueinander komplementär, so dass der Pegel der Wechselspannung zwischen der ersten und zweiten Leitung in etwa das Doppelte des Pegels der Versorgungsspannung (VDRV) beträgt.
  • Während des Empfangs sind alle vier Transistoren (T1, T2, T3, T4) typischerweise ausgestellt. Die Schaltung (DRV) hat dann einen hochohmigen Ausgangswiderstand an ihren Ausgängen (DRV1, DRV2).
  • Um nun das ESD-Problem zu lösen, sieht die Vorrichtung mit erfindungsgemäßem Schwingsystem eine elektrische Isolation des piezoelektrischen Schwingelements (2) gegenüber dem Gehäuse (1) vor. Dies ist in 6 dargestellt. Eine elektrische Kontaktierung des zweiten Kontakts (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) muss aber weiterhin möglich sein. 6 zeigt die entsprechende Lösung schematisch. Zu diesem Zweck wird zusätzlich ein Montageelement (6) in den Ultraschallt-Transducer (TR) eingebracht. Dieses ist vorzugsweise zumindest teilweise elektrisch leitend, sodass das piezoelektrische Schwingelement (2) mit diesem elektrisch leitend mechanisch verbunden werden kann. Die elektrische Verbindung findet dabei über den zweiten Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) statt. Die elektrisch leitende mechanische Verbindung zwischen zweitem Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2) und dem Montageelement (6) kann beispielsweise durch elektrisch leitende Klebung und/oder durch Löten und/oder Schweißen hergestellt werden. Das Montageelement (6) wird mit der zweiten elektrischen Zuleitung (5) elektrisch leitend verbunden, die nun statt des Gehäuses (1) mit der zweiten Leitung (DRV2) elektrisch leitend verbunden werden kann.
  • Das piezoelektrische Schwingelement (2) und das Montageelement (6) werden durch einen elektrisch isolierenden Kleber (3) in dem Gehäuse (1) typischerweise am Gehäuseboden (1b) befestigt. Dass Gehäuse (1) selbst wird über einen speziellen elektrischen Anschluss (7) des Gehäuses (1) angeschlossen, der mit einer speziellen ESD-Erdung (ESD_GND) verbunden wird. Bei einem ESD-Ereignis, wird somit die Energie des ESD-Pulses nicht in die Ansteuerschaltung (USctr), sondern in einen ESD-Masseanschluss (ESD-GND) geleitet. In der Praxis wird empfohlen, die Konstruktion mit geeigneten EMV-Simulationswerkzeugen zu entwickeln, da trotz dieser Ableitung kapazitive und induktive Kopplungen immer noch zu Störungen führen können, die aber gegenüber der Situation im Stand der Technik massiv abgeschwächt sind.
  • Wie bereits oben erwähnt, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Durchmesser (LG) des typischerweise runden Gehäuses (1) ein ganzzahliges Vielfaches (n-faches) der Wellenlänge des Schalls in Luft (λL) ist. Hierdurch kommt es zu einer gewissen Richtwirkung des abgestrahlten Schalls des Ultraschall-Transducers (TR). Die Schallabstrahlrichtung (11) ist hier mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet.
  • In dem Beispiel der 6 besitzt das Montageelement (6) eine symmetrische Öffnung (9), die hier beispielhaft vom elektrisch isolierenden Kleber (3) gefüllt ist. Es handelt sich bei dem Montageelement (6) also eher um einen Montagering (6). Dessen Außenkannte besitzt in diesem Beispiel einen Radius, der größer als der Radius der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist. Ebenso ist der Radius der Außenkannte des Montageelements größer als der Radius des Kreises der Klebekante (3c). Das bedeutet, dass der Montagering (6) in diesem Beispiel ein wenig über das piezoelektrische Schwingelement (2) und die Klebekante (3c) hinaussteht.
  • Der Montagering bzw. das Montageelement (6) verändert natürlich die Schwingeigenschaften des piezoelektrischen Schwingelements (2). Ein wichtiger beanspruchter Nebeneffekt der erfindungsgemäßen Konstruktion ist daher, dass durch geeignete Formgebung des Montageelementes (6) und geeignete Anbringung des Paktes aus piezoelektrischem Schwingelement (2) und Montageelement (6), also des Schwingsystems, die Schwingungs- und Abstrahleigenschaften des Ultraschall-Transducers (TR) gezielt modifiziert werden können. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil nur die Formgebung des Montageelements (6) angepasst werden muss, während alle anderen Komponenten des Ultraschall-Transducers (TR) in ihrer Konstruktion belassen werden können. Wird das Montageelement (6) beispielsweise durch fotolithografisches Ätzen und/oder Laserschneiden hergestellt, so ist es möglich, auch geringste Stückzahlen spezieller Ultraschall-Transducer (TR) kostengünstig herzustellen, ohne dass das Gehäuse (1) oder die äußere Kristallform des piezoelektrischen Schwingungselements (2) verändert werden muss.
  • Das Gehäuse (1) wird mit den angedeuteten Kerben dann in eine Halterung eingeklemmt. Die Halterungen dienen dann typischerweise als Festlager, die einen rotatorischen Freiheitsgrad zulassen du somit die Torsionsschwingung des Gehäuses (1) um diese typischerweise ringförmige Achse zulassen.
  • In vielen Fällen ist es sinnvoll, wenn das Gehäuse (1) mit einer Vergussmasse (12) oder einem anderen geeigneten Stoff gefüllt wird. Diese Vergussmasse (12) ist in 10 beispielhaft eingezeichnet. Auswahl und Konsistenz dieser Vergussmasse sollten sich an den Anforderungen der jeweiligen Aufgabe orientieren. Hierzu sollten FEM-Simulationen des Ultraschall-Transducers in der Konstruktionsphase durchgeführt werden.
  • 9 und 10 zeigen darüber hinaus noch eine Gehäuseachse (13). Statt der Gehäuseachse (13) kann auch eine Flächennormale des Gehäusebodens (1b) bezüglich der im Folgenden erwähnten Nutzungen dieser Gehäuseachse (13) verwendet werden, wenn dieser eben ist.
  • Durch Verkippen des Pakets aus dem piezoelektrischen Schwingelements (2) und dem Montageelement (6) gegenüber dem Gehäuseboden (1b) um einen Verkippwinkel β kann die Schallabstrahlrichtung (11) gegenüber der Gehäuseachse (13) um einen Abstrahlwinkel α gekippt werden. 11 zeigt diesen Fall. Hierbei bezieht sich in diesem Beispiel der Verkippwinkel β in einer Ausprägung auf den Winkel zwischen einer Parallelen (16) zur Gehäuseachse (13) und einer Normalen (14) zu einer ersten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2). Die erste Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) soll dabei die Oberfläche desselben sein, die den ersten elektrischen Kontakt (2a) trägt. Statt der Normalen (14) zu einer ersten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) kann auch die Normalen zu einer zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) verwendet werden. Die zweite Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) soll dabei die Oberfläche desselben sein, die den zweiten elektrischen Kontakt (2b) trägt.
  • Statt der Normalen (14) zu einer ersten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) kann auch die Normalen zu einer Oberfläche des Montageelements (6) genutzt werden.
  • Statt der Parallelen (16) zur Gehäuseachse (13) kann auch eine Parallele (16) zu einer Normalen einer Oberfläche des Gehäusebodens für die Definition des Verkippwinkels β oder des Abstrahlwinkels α verwendet werden.
  • 12 zeigt die Vorrichtung aus 11 mit einer Füllmasse (12).
  • 13 stellt den Ultraschall-Transducer (TR) aus 9 mit einem modifizierten Montageelement (6b) dar. Dieses verfügt über eine nicht zentrische Öffnung (9b), die hier zudem kleiner als die Öffnung (9) der 9 ist. Gleichzeitig führt die Form des Montagelements (6b) zu einem einseitig aufliegenden Überhang (6g), der über die Klebekannte (3c) weiter als im Fall der 9 hinausragt. Die Asymmetrie der Lage der Öffnung (9b), deren Größe und der einseitig aufliegende Überhang (6g) führen zu einer Veränderung der Schwingungseigenschaften des Ultraschall-Transducers (TR) und zu einer Verzerrung des Schallfeldes, das von diesem beim Senden erzeugt wird. Insbesondere kommt es zu einer geänderten Wechselwirkung zwischen dem Montageelement (6b), dem Gehäuseboden (1b) und der Gehäusewand (1c) im Bereich und Umfeld des einseitig aufliegenden Überhangs (6g). Typischerweise wird hierdurch die Richtung und der Betrag der Schallabstrahlrichtung (11) sowie die Form der Schallabstrahlkeule beeinflusst.
  • Auch ändern sich ggf. die Resonanzfrequenzen und das Dämpfungsverhalten. All dies wird der Fachmann beim Entwurf typischerweise mit Hilfe einer FEM-Simulation während der Konstruktionsphase optimieren. 14 zeigt wieder 13 mit einer geeigneten Füllung (12).
  • Diese Asymmetrie der 12 und 13 kann natürlich mit der Verkippung der 10 und 11 kombiniert werden. 15 zeigt die Kombination der Verkippung mit der Asymmetrie des Montageelements (6b) und 16 diese mit einer Füllung (12).
  • Die 17 bis 20 zeigen einige beispielhafte Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6i, 6j) in der Aufsicht für ein rotationssymmetrisches piezoelektrisches Schwingelement (2).
  • 17a zeigt das Montageelement (6) der 9, 10, 11, 12 in der Aufsicht. Die spätere Lage der Klebekannte (3c) sowie die spätere Lage der Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelements sind beispielhaft markiert. Das Montageelement (6) weist die bereits beschriebene Öffnung (9) auf. Es handelt sich also um einen Montagering.
  • 17b zeigt das Montageelement (6b) der 13, 14, 15, 16 in der Aufsicht. Die spätere Lage der Klebekannte (3c) sowie die spätere Lage der Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelements sind beispielhaft markiert. Das Montageelement (6b) weist die bereits beschriebene, verkleinerte und asymmetrisch liegende kreisrunde Öffnung (9b) auf. Beispielhaft ist auch hier die asymmetrische Montage des piezoelektrischen Schwingelementes (2) vorgesehen, dessen Lage hier durch seine Außenkannte (2c) angedeutet ist. Auch die Klebekannte (3c) soll asymmetrisch liegen. In diesem Beispiel ist die Klebekannte (3c) symmetrisch zur Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelements (2) angeordnet. Dies ist zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Es mag Anwendungen geben, in den auch hier eine weitere Asymmetrie sinnvoll ist. Es handelt sich also um einen asymmetrischen Montagering.
  • 17a zeigt einen beispielhaften Montagering (6c), der ohne Überhang (6g) montiert werden soll, bzw. dessen Überhang nur sehr klein ist. Die Klebekannte (3c) und die Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelements (2) sollen in diesem Beispiel symmetrisch zur Außenkannte des Montageelements (6c) angeordnet werden. Lediglich die Öffnung (9c) ist asymmetrisch angeordnet.
  • 17b zeigt ein weiteres beispielhaftes Montageelement (6d) mit einer elliptischen Außenkannte. Die Öffnung (9d) ist verkleinert und azentrisch angeordnet. Die vorgesehenen Lagen der Klebekannte (3c) und der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) sind ebenfalls azentrisch und asymmetrisch zur Öffnung (9d) angeordnet. Der Bereich des einseitig aufliegenden Überhangs (6g) ist zusätzlich mit einem Gitter aus Öffnungen (10) versehen. Diese bilden in diesem Beispiel ein zweidimensionales Gitter (einen zweidimensionalen Kristall), der die mittleren mechanischen Eigenschaften des Montageelements (6d), wie beispielsweise das mittlere E-Modul in diesem Bereich ändert. Hierdurch kann die die Schall- und/oder Schwingungsausbreitung bestimmende flächige Eigenschaftsverteilung des Montageelements (6d) durch einfache mechanische Strukturierung lokal modifiziert werden. In dem Beispiel weist das zweidimensionale Gitter eine erste Gitterkonstante a1 und eine zweite Gitterkonstante a2 auf. Natürlich ist es denkbar, andere Elementarzellen für das zwei- oder eindimensionale Gitter bestehend aus mehr als nur einer Öffnung (10) zu verwenden. Auch ist es denkbar, verschiedene Bereiche der Oberflächen der Montageelemente (6d) mit unterschiedlichen zweidimensionalen Gittern zu belegen, die sich durch Ausrichtung der Gitter, Gitterkonstanten, Elementarzellen und Elementen (Öffnungen, Erhöhungen, Vertiefungen) der Elementarzellen unterschieden. In dem Beispiel der 18b ist die Elementarzelle zur Vereinfachten Darstellung eine einzelne Öffnung (10). Die Öffnungen (10) können beispielsweise zylinderförmige Durchbrüche oder Schlitze oder Öffnungen anderer Form in dem jeweiligen Montageelement (6d) sein. Es kann sich aber auch nur um Sacklöcher, Kerben oder andere Vertiefungen von der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) her handeln. Statt solcher Ausbuchtungen ist aber auch der umgekehrte Fall denkbar. Es kann sich statt der Öffnungen (10) somit auch um Erhöhungen eines ein- oder zweidimensionalen Gitters handeln. Die Erhöhungen des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) können beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstülpungen anderer Form an dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) sein.
  • In dem Beispiel der 18b sind die Gitterlinien gerade. Stattdessen ist es aber auch denkbar, dass die Gitterlinien auf gekrümmten Linien liegen. In diesem Fall ist aber zumindest eine Gitterkonstante typischerweise nicht konstant, was die Berechnung der mechanischen Eigenschaften erschwert.
  • 19 zeigt ein Beispiel für ein Montageelement (6i), das nach der Montage in das Gehäuse (1) einen beidseitig aufliegenden Überhang (L) aufweisen soll. Zur Vereinfachung entspricht die Öffnung der Öffnung (9) der 9, 10, 11 und 12. Die Außenkannte des Montageelements (6i) ist kreisförmig. Die beabsichtigte Platzierung der Klebekannte (3c), der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelements (2) und der Öffnung (9) sind symmetrisch und zentrisch bezüglich der Außenkannte des Montageelements (6i). Im Gegensatz zu den zuvor besprochenen Montageelementen ist es hier vorgesehen, das Montageelement (6i) bei seiner Montage im Gehäuse (1) an der Außenkannte ebenfalls zu verkleben. Hierbei entsteht eine zweite Klebekannte (3d), die ebenfalls hinsichtlich ihrer geplanten Lage gestrichelt eingezeichnet ist. Im Bereich des beidseitig eingespannten Überhangs (L) befinden sich zwei zweidimensionale Gitter, die hier durch Öffnungen (10) erzeugt werden. Das Montageelement (6i) weist eine erste Symmetrieachse (Sym1) auf und eine zweite Symmetrieachse (Sym2), die in diesem Beispiel senkrecht zur ersten Symmetrieachse (Sym1) ist. Durch diese Strukturierung strahlt der Ultraschall-Transducer zumindest teilweise ein Multipolschallfeld aus.
  • 20 zeig ein weiteres Beispiel eines denkbaren Montageelements (6j) mit vier weiteren Öffnungen 20. Auch solche Öffnungen (20) können eine lokale Modifikation der mechanischen und akustischen Eigenschaften eines Montageelementes (6j) herbeiführen. Eine Symmetrie ist oft sinnvoll, aber nicht zwingend erforderlich. Auch muss die Form und Größe der Öffnungen (20) nicht übereinstimmen.
  • Die Öffnungen (20) können beispielsweise Durchbrüche oder Schlitze oder Öffnungen anderer Form in dem jeweiligen Montageelement sein. Es kann sich aber auch nur um Sacklöcher, Kerben oder andere Vertiefungen von der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes (6j) her handeln. Statt solcher Ausbuchtungen ist aber hier der umgekehrte Fall denkbar. Es kann sich statt der Öffnungen (20) somit auch um Erhöhungen eines ein- oder zweidimensionalen Gitters handeln. Die Erhöhungen des Montageelements (6j) können beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstülpungen anderer Form an dem Montageelement (6j) an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes (6j) sein. Alle Formen können auf einem Montageelement (6j) gemischt werden. Dies erhöht allerdings die Kosten der Herstellung, weshalb dies nur in besonderen Fällen zum Tragen kommen wird.
  • 21 zeigt einen Ultraschall-Transducer mit einem Montagelement (6e) im Querschnitt, der einen beidseitig aufliegenden Überhang (L) aufweist. Das Montageelement (6e) ist mit einem ersten elektrisch isolierenden Kleber (3) an dem Gehäuse (1) befestigt. Eine zweite Menge elektrisch isolierenden Klebers (3b) befestigt das Montageelement (6e) auf der anderen Seite des beidseitig aufliegenden Überhangs (L). Hierdurch ergibt sich eine weitere Klebekante (3d). In dem Beispiel besitzt das Montageelement eine erste Dicke (d1). Der Zwischenraum, der sich zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) bildet, habe eine zweite Dicke (d2). Das Montageelement sei in diesem Bereich mit einem zweidimensionalen Gitter von Bohrungen (Öffnungen 10) versehen. Ist das Gehäuse (1) mit Luft gefüllt, so interagiert das Luftvolumen zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) mit der Luft. Durch geeignete Auswahl der Maße der Gitterabstände (a1, a2, a) und/oder der Größe der Öffnungen (10) und/oder des zweiten Abstands (d2) und oder der Dicke (d1) des Montageelements (6e) etc. kann die Interaktion eingestellt werden.
  • Insbesondere kann eine zeitliche Phasenverschiebung zwischen einer Auslenkung des Gehäusebodens (1b) im Bereich des piezoelektrischen Schwingelements (2) und einer Auslenkung im Bereich der zweiten Klebestelle (3b) erzielt werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zusätzliche Klebestelle (3b) nicht, wie in 19 gezeichnet, das gesamte Montageelement (6e) umfasst, sondern beispielsweise auf den Bereich der zweiten Symmetrieachse (Sym2) beschränkt bleibt.
  • Es sollte an dieser Stelle unbedingt erwähnt werden, dass es denkbar ist, dass die Öffnungen (9, 20) sich sowohl vollständig unter dem piezoelektrischen Schwingelement (2), als auch vollständig im Bereich eines Überhangs (6g, L) als auch teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement (2) und/oder als auch teilweise und insbesondere gleichzeitig teilweise im Bereich eines Überhangs (6g, L) befinden können. Auch ist es nicht zwingend notwendig, dass die Außenform des Montagelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e) stets rund oder elliptisch ist. Im Prinzip sind beliebige Formen denkbar, wobei die Außenkannte auch unter dem piezoelektrischen Schwingelement und innerhalb der Klebekannte (3c) verlaufen kann.
  • 22 zeigt wieder 21 mit einer Vergussmasse (12). Dabei kann der Zwischenraum zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) mit der Vergussmasse (12), einer anderen Masse oder mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllt sein.
  • 23 zeigt die 21, wobei unter dem Überhang (L) ein strukturiertes Formelement (6f) eingelegt und befestigt ist, das die Eigenschaften des Zwischenraumes zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) modifiziert und die mechanischen Eigenschaften des Gehäusebodens (1b) verändert. Das Formelement (6f) kann beispielsweise in den Gehäuseboden (1b) eingeklebt sein. In dem Beispiel weist das Formelement (6f) Vertiefungen (17) auf, die seine mechanischen und akustischen Eigenschaften verändern. Bei diesen Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen des Gehäusebodens (1b) oder dieses sich im Gehäuseboden (1b) befindenden Einlegeelements (6f), die insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Gitter bilden können handelt es sich um Modifikationen der mechanischen Eigenschaften des Gehäusebodens (1b). Als Vertiefungen können diese beispielsweise zylinderförmige Sacklöcher oder Schlitze oder Vertiefungen anderer Form in dem Formelement (6f) oder in dem Gehäuseboden (1b) von der Ober- oder Unterseite des Gehäusebodens (1b) her sein. Als Erhöhungen können diese beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstülpungen anderer Form in dem Formelement (6f) oder in dem Gehäuseboden (1b) von der Ober- oder Unterseite des Gehäusebodens her sein.
  • 24 zeigt den Ultraschall-Transducer (TR) der 23 mit dem Unterschied, dass dieser mit einer Vergussmasse (12) gefüllt ist. Zwischen dem beidseitig aufliegenden Überhang (L) des Montageelements (6e) und dem Gehäuseboden (1b) befindet sich eine Masse oder eine Medium (18) zur Modifikation der mechanischen und/oder akustischen Eigenschaften. Die Öffnungen (10) im Montageelement (6e) sind in diesem Beispiel mit der Masse (18) gefüllt. Öffnungen (17) im Gehäuseboden (1b) von dessen Unter- und Oberseite modifizieren lokal die mechanischen und/oder akustischen Eigenschaften. Auch diese sind mit der Masse (18) beispielhaft gefüllt.
  • 25 zeigt einen Ultraschall-Transducer (TR) aus 21 wieder mit einem Montagelement (6e) im Querschnitt, der einen beidseitig aufliegenden Überhang (L) aufweist. Das Montageelement (6e) ist wieder mit einem ersten elektrisch isolierenden Kleber (3) an dem Gehäuse (1) befestigt. Eine zweite Menge elektrisch isolierenden Klebers (3b) befestigt das Montageelement (6e) auf der anderen Seite des beidseitig aufliegenden Überhangs (L). Hierdurch ergibt sich eine weitere Klebekante (3d). In dem Beispiel besitzt das Montageelement eine erste Dicke (d1). Der Zwischenraum, der sich zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) bildet, habe eine zweite Dicke (d2). Das Montageelement sei in diesem Bereich mit einem zweidimensionalen Gitter von Ausbuchtungen (Erhöhungen 10b) versehen. Ist das Gehäuse (1) mit Luft gefüllt, so interagiert das Luftvolumen zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b) mit der Luft. Durch geeignete Auswahl der Maße der Gitterabstände (a1, a2, a) und/oder der Größe der Erhöhungen (10b) und/oder des zweiten Abstands (d2) und oder der Dicke (d1) des Montageelements (6e) etc. kann die Interaktion und die mechanischen Eigenschaften des Überhangs (L) eingestellt werden.
  • Insbesondere kann wieder eine zeitliche Phasenverschiebung zwischen einer Auslenkung des Gehäusebodens (1b) im Bereich des piezoelektrischen Schwingelements (2) und einer Auslenkung im Bereich der zweiten Klebestelle (3b) erzielt werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zusätzliche Klebestelle (3b) nicht, wie in 19 gezeichnet, das gesamte Montageelement (6e) umfasst, sondern beispielsweise auf den Bereich der zweiten Symmetrieachse (Sym2) beschränkt bleibt.
  • Es sollte an dieser Stelle unbedingt erwähnt werden, dass es denkbar ist, dass die Erhebungen (10b) sich sowohl vollständig unter dem piezoelektrischen Schwingelement (2), als auch vollständig im Bereich eines Überhangs (6g, L) als auch teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement (2) und/oder als auch teilweise und insbesondere gleichzeitig teilweise im Bereich eines Überhangs (6g, L) befinden können. Auch ist es nicht zwingend notwendig, dass die Außenform des Montagelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e) stets rund oder elliptisch ist. Im Prinzip sind beliebige Formen denkbar, wobei die Außenkannte wieder auch unter dem piezoelektrischen Schwingelement und innerhalb der Klebekannte (3c) verlaufen kann.
  • Mit solchen Gitterstrukturen aus Öffnungen (10) und/oder Vertiefungen allgemein oder Erhöhungen (10b), wie sie in dieser Offenbarung beschrieben sind, kann insbesondere
    • i. eine Änderung der Güte und/oder Bandbreite
    • ii. eine Änderung der Richtcharakteristik (akustisches Abstrahlverhalten)
    • iii. eine Änderung des Frequenzverhaltens (weitere Resonanzen auf unterschiedlichen Frequenzen)
    erreicht werden. Weitere Mittel zum modifizieren dieser drei Punkte i bis iii sind die Anzahl, Größe, Form und Positionierung von weiteren Öffnungen (9, 9b, 9c, 9d) in dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), die Anzahl, Größe, Form und Positionierung des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) und/oder weiterer Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), insbesondere die Form der Außenkannte der Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) in der Aufsicht, und deren jeweilige Dicke (d1) des jeweiligen Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j), der Abstand (d2) zwischen den jeweiligen Montageelementen (6e) und der jeweiligen Innenseite des Gehäusebodens (1b) im Bereich eines einseitig aufliegenden Überhangs (6g) des jeweiligen Montageelements (6e) oder im Bereich eines beidseitig aufliegender Überhangs (L) des jeweiligen Montageelements (6e), sowie die Anordnung der Montageelemente (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j) zueinander, sowie die Anzahl, Größe, Position und mechanischen und akustischen Eigenschaften der jeweiligen Kleber Stützpunkte (3, 3b), die Form der jeweiligen Klebekannte (3c, 3d) sowie die Anordnung dieser zueinander und die geometrischen, mechanischen und akustischen Eigenschaften von Füllmaterialien (12, 18) und Massen oder Medien zwischen dem jeweiligen Montageelement (6e) und dem Gehäuseboden (1b).
  • 26 zeigt ein Beispiel basierend auf dem Beispiel der 19 für ein Montageelement (6k), das nach der Montage in das Gehäuse (1) einen nun jedoch einseitig aufliegenden Überhang (L) aufweisen soll. Zur Vereinfachung entspricht die Öffnung der Öffnung (9) der 9, 10, 11 und 12. Die Außenkannte des Montageelements (6k) ist nur noch weitestgehend kreisförmig. Die beabsichtigte Platzierung der Klebekannte (3c), der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelements (2) und der Öffnung (9) sind symmetrisch und zentrisch bezüglich der Außenkannte des Montageelements (6k). Im Gegensatz zu den zuvor besprochenen Montageelementen ist es hier vorgesehen, das Montageelement (6k) bei seiner Montage im Gehäuse (1) an der Außenkannte an der linken Seite ebenfalls zu verkleben. Hierbei entsteht eine zweite Klebekannte (3d), die ebenfalls hinsichtlich ihrer geplanten Lage gestrichelt eingezeichnet ist. Die zweite Klebekannte (3d) umfasst aber nun nur noch einen Teil des Montageelementes (6k) Im Bereich des einseitig eingespannten Überhangs (L) befinden sich zwei zweidimensionale Gitter, die hier durch Öffnungen (10) erzeugt werden. Das Montageelement (6k) weist bezüglich des Hauptkörpers eine erste Symmetrieachse (Sym1) auf und eine zweite Symmetrieachse (Sym2), die in diesem Beispiel senkrecht zur ersten Symmetrieachse (Sym1) ist. Durch diese Strukturierung strahlt der Ultraschall-Transducer zumindest teilweise ein Multipolschallfeld aus. Darüber hinaus ist das beispielhafte Montagelement (6k) mit zwei akustischen Stichleitungen (SL1 und SL2) versehen, die an deren Ende eine dritte Klebung (3e) aufweisen. Diese dritte Klebung führt zu einem Schallknoten in diesem Bereich und zur Schallreflektion zum Hauptkörper des Montagelementes zurück. Zusammen mit diesem ergeben sich dann unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Dabei ist die Anbindung der ersten akustischen Stichleitung (SL1) durch die Perforation des Montagelementes im Bereiche der Anbindung anders als für die zweite akustische Stichleitung. Dies führt zu einer Modifikation von Resonanzfrequenz und Resonanzgüte.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisch leitendes becherförmiges Gehäuse;
    1a
    Boden des Gehäuses (1). Der Boden (1a) des Gehäuses stellt typischerweise die Schallmembrane dar und strahlt nach unten hin den Ultraschall ab;
    1c
    Gehäusewand;
    2
    piezoelektrisches Schwingelement;
    2a
    erster elektrischer Kontakt des piezoelektrischen Schwingelements (2);
    2b
    zweiter elektrischer Kontakt des piezoelektrischen Schwingelements (2);
    2c
    Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelementes (2);
    3
    elektrisch isolierender Kleber oder erster Stützpunkt eines elektrisch isolierenden Klebers, der zur Übertragung der Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements (2) in der Lage ist und ggf. genügend Elastizität aufweist, um die Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements (2) zuzulassen und gleichzeitig eine zuverlässige mechanische Verbindung mit dem Gehäuseboden (1a) und eine ausreichende elektrische Isolation über die Lebensdauer des Ultraschall-Transducers (TR) sicherzustellen.
    3b
    zweiter Stützpunkt des elektrisch isolierenden Klebers (3). Dieser bildet das Widerlager oder einen Stützpunkt für den beidseitig aufliegenden Überhangs (L) des Montageelements (6e) zwischen den Klebekanten (3c, 3d) des elektrisch isolierenden Klebers (3, 3b).
    3c
    Klebekante des elektrisch isolierenden Klebers (3) bzw. des ersten Stützpunkts des elektrisch isolierenden Klebers (3);
    3d
    Klebekante des zweiten Stützpunkts des elektrisch isolierenden Klebers (3b);
    3e
    dritter Stützpunkt für die Abstützung der akustischen Stichleitungen durch einen Kleber, der vorzugsweise ebenfalls elektrisch isolierend ist. Die Position, Größe, Dicke und die Art des Klebers beeinflussen die Resonanzfrequenz und die Resonanzgüte der jeweiligen akustischen Stichleitung (SL1, SL2);
    4
    erste elektrische Zuleitung, elektrischer Anschluss des ersten Kontakts (2a);
    5
    zweite elektrische Zuleitung, elektrischer Anschluss des piezoelektrischen Schwingelements (2) über den zweiten elektrischen Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2);
    6
    elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering mit einer symmetrisch angeordneten Öffnung (9) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2).
    6b
    elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) versetzt und der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage der Überhang (6g) ergibt. Er weist eine beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung (9b) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf.
    6c
    elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) symmetrisch angeordnet ist. Er weist eine beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung (9c) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (6) auf.
    6d
    elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) versetzt und der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage ein Überhang (6g) ergibt. Er weist eine beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung (9d) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf. Außerdem weist er ein zweidimensionales Gitter von Öffnungen (10) mit einem ersten Gitterabstand (a1) in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelementes und einem zweiten Gitterabstand (a2) in einer zweiten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelementes auf, wobei die erste und zweite Richtung nicht parallel sind.
    6e
    elektrisch leitender, beispielhafter Montagering, der gegenüber der Außenkannte (2c) des piezoelektrischen Schwingelementes (2) versetzt und der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage ein beidseitig aufliegender Überhang (L) ergibt. Er weist eine beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung (9b) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf. Außerdem weist er ein ein- oder zweidimensionales Gitter von Öffnungen (10) mit einem Gitterabstand (a) in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelementes auf.
    6f
    Einlegeelement im Gehäuseboden (1b) mit Vertiefungen (17) oder entsprechenden Erhöhungen, die insbesondere auch ein ein- oder zweidimensionales Gitter bilden können.
    6g
    Bereich des einseitig aufliegenden Überhangs (6g) des Montageelements (6b) über die Oberkante (3c) des elektrisch isolierenden Klebers (3).
    6i
    elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering, der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering (6) (17a) der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage ein ringsum gleich breiter, beidseitig aufliegender Überhang (L) ergibt. Er weist eine beispielhafte, zentrische Öffnung (9) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf. Außerdem weist er zwei Bereiche mit je einem beispielhaften zweidimensionalen Gitter von Öffnungen (10) mit einem Gitterabstand (a) in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelementes auf. Der Montagering besitzt eine erste Symmetrieachse (Sym1) und eine zweite Symmetrieachse (Sym2).
    6j
    elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering, der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering (6) (17a) der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage ein ringsum gleich breiter, beidseitig aufliegender Überhang (L) ergibt. Er weist eine beispielhafte, zentrische Öffnung (9) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf. Außerdem weist er beispielhaft vier Öffnungen (20) im Bereich des Überhangs (L) auf. Der Montagering besitzt eine erste Symmetrieachse (Sym1) und eine zweite Symmetrieachse (Sym2).
    6k
    elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering mit zwei akustischen Stichleitungen (SL1 und SL2), der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering (6) (17a) der Art vergrößert ist, dass sich nach der Montage ein ringsum gleich breiter, beidseitig aufliegender Überhang (L) ergibt. Er weist eine beispielhafte, zentrische Öffnung (9) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (2) auf. Außerdem weist er zwei Bereiche mit je einem beispielhaften zweidimensionalen Gitter von Öffnungen (10) mit einem Gitterabstand (a) in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelementes auf. Der Montagering besitzt ohne die akustischen Stichleitungen (SL1 und SL2) eine erste Symmetrieachse (Sym1) und eine zweite Symmetrieachse (Sym2).
    7
    elektrischer Anschluss des Gehäuses (1), der isoliert vom piezoelektrischen Schwingelement (2) ist.
    8
    elektrisch leitfähiger Kleber, der zur Übertragung der Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements (2) in der Lage ist und ggf. genügend Elastizität aufweist, um die Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements (2) zuzulassen und gleichzeitig eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung mit dem Gehäuseboden (1a) über die Lebensdauer des Ultraschall-Transducers (TR) sicherzustellen.
    9
    Öffnung im elektrisch leitenden Montagering (6) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (6). Typischerweise ist die Öffnung nach der Montage mit dem elektrisch isolierenden Kleber (3) gefüllt.
    9b
    beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung im elektrisch leitenden Montagering (6) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (6). Typischerweise ist die Öffnung nach der Montage mit dem elektrisch isolierenden Kleber (3) gefüllt.
    9c
    beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung im elektrisch leitenden Montagering (6) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (6). Typischerweise ist die Öffnung nach der Montage mit dem elektrisch isolierenden Kleber (3) gefüllt.
    9d
    beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung im elektrisch leitenden Montagering (6) unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements (6). Typischerweise ist die Öffnung nach der Montage mit dem elektrisch isolierenden Kleber (3) gefüllt.
    10
    Öffnung eines ein- oder zweidimensionalen Gitters. Die Öffnungen können beispielsweise zylinderförmige Durchbrüche oder Schlitze oder Öffnungen anderer Form in dem Montageelement sein. Es kann sich aber auch nur um Sacklöcher, Kerben oder andere Vertiefungen von der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes her handeln.
    10b
    Erhöhungen eines ein- oder zweidimensionalen Gitters. Die Erhöhungen können beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstülpungen anderer Form in dem Montageelement von der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes her handeln.
    11
    Schallabstrahlrichtung
    12
    Vergussmasse oder Füllmasse
    13
    Gehäuseachse (Symmetrieachse) des Gehäuses/der Gehäusewände (1c) oder Flächennormale des Gehäusebodens (1b)
    14
    Flächennormale der ersten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) (trägt den ersten elektrischer Kontakt (2a) des piezoelektrischen Schwingelements (2))
    15
    Flächennormale der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) (trägt den zweiten elektrischen Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2))
    16
    parallelverschobene Gehäuseachse (13) (Symmetrieachse) des Gehäuses/der Gehäusewände (1c) oder parallelverschobene Flächennormale des Gehäusebodens (1b)
    17
    Vertiefungen und/oder Erhöhungen des Gehäusebodens (1b) oder eines sich im Gehäuseboden befindenden Einlegeelements (6f), die insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Gitter bilden können. Als Vertiefungen können diese beispielsweise zylinderförmige Sacklöcher oder Schlitze oder Vertiefungen anderer Form in dem Gehäuseboden (1b) von der Ober- oder Unterseite des Gehäusebodens her sein. Als Erhöhungen können diese beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstülpungen anderer Form in dem Gehäuseboden (1b) von der Ober- oder Unterseite des Gehäusebodens her sein. Es kann sich auch um solche Strukturen in oder an einem Einlegeelement (6f) im Gehäuseboden (1b) handeln.
    18
    Masse oder Medium zwischen Montageelement (6e) und Gehäuseboden (1b).
    19
    dritte elektrische Zuleitung, elektrischer Anschluss des Gehäuses (1) und des piezoelektrischen Schwingelements (2) über den elektrisch leitenden Kleber (3) und den zweiter elektrischer Kontakt (2b) des piezoelektrischen Schwingelements (2)
    20
    Öffnung im Bereich des Überhangs (L) im runden Montagering (6j)
    α
    Abstrahlwinkel der Schallwellen gegenüber der Flächennormalen des Gehäusebodens (1a) bzw. gegenüber der Gehäuseachse (13)
    β
    Verkippwinkel der Flächennormalen (14, 15) einer ersten oder zweiten Oberfläche oder einer Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelementes (2) oder Verkippwinkel einer Symmetrieachse des piezoelektrischen Schwingelementes (2) auf der einen Seite gegenüber der Flächennormalen (13) des Gehäusebodens (1a) bzw. gegenüber der Gehäuseachse (13) auf der anderen Seite
    λL
    Wellenlänge der abgestrahlten Schallwellen in Luft
    a
    beispielhafter Gitterabstand für die Wiederholung der Anordnung von Öffnungen (10) in einer beispielhaften Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6f) zur Bildung des Musters eines ein- oder zweidimensionalen Gitters in dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6f). Beispielsweise können der erste und die zweite Gitterabstand (a1, a2) gleich der Wurzel von a sein und die erste und zweite Richtung senkrecht aufeinander stehen. Dies ist in 18 dargestellt.
    a1
    erster Gitterabstand für die Wiederholung der Anordnung von Öffnungen (10) und/oder Vertiefungen (10) und/oder Erhöhungen (10b) in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6f) zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6f). Die erste und die zweite Richtung sind dabei nicht parallelzueinander.
    a2
    zweiter Gitterabstand für die Wiederholung der Anordnung von Öffnungen (10) und/oder Vertiefungen (10) und/oder Erhöhungen (10b) in einer zweiten Richtung parallel zur Oberfläche des Montageelements (6, 6b, 6c, 6d, 6f) zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6f). Die erste und die zweite Richtung sind dabei nicht parallelzueinander.
    a3
    dritter Gitterabstand für die Wiederholung der Anordnung von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen in einer ersten Richtung parallel zu einer Oberfläche des Gehäusebodens (1b) zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in der Oberfläche des Gehäusebodens (1b). Die dritte und die vierte Richtung sind dabei nicht parallelzueinander.
    a4
    vierter Gitterabstand für die Wiederholung der für die Wiederholung der Anordnung von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen in einer vierten Richtung parallel zu einer Oberfläche des Gehäusebodens (1b) zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in der Oberfläche des Gehäusebodens (1b). Die dritte und die vierte Richtung sind dabei nicht parallelzueinander.
    AING
    erstes Eingangssignal für die Einkopplung des Empfangssignals des Transducers (TR) in den Ansteuerschaltkreis (USctr). (Signalmasse)
    AINS
    zweites Eingangssignal für die Einkopplung des Empfangssignals des Transducers (TR) in den Ansteuerschaltkreis(USctr). (Signal)
    BUS_M
    Anschluss der Bus-Masse (LIN_M) an den Ansteuerschaltkreis (USctr)
    BUS_S
    Anschluss des Bus-Signals (LIN_S) an den Ansteuerschaltkreis (USctr)
    CAIN1
    erster Auskoppelkondensator für den Transducer entsprechend dem Stand der Technik
    CAIN2
    zweiter Auskoppelkondensator für den Transducer entsprechend dem Stand der Technik
    CBus
    Siebkondensator für die Masse des Datenbusses (LIN_M, LIN_S)
    CVDDA
    Siebkondensator der internen analogen Versorgungsspannung (VDDA) des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    CVDDD
    Siebkondensator der internen digitalen Versorgungsspannung (VDDD) des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    CSUP1
    erster Siebkondensator in der Versorgung
    CSUP2
    zweiter Siebkondensator in der Versorgung
    CSUP_TD
    Kapazität in der Siebung des Bezugsknotens des Übertragers (UE)
    CTD1
    Koppelkondensator und Anpassung für den Transducer entsprechend dem Stand der Technik
    d
    Abstand zwischen der Oberfläche des Schwingelements (2) und der Oberkannte des becherförmigen Gehäuses (1)
    d1
    Dicke des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j)
    d2
    Abstand zwischen Montageelement (6e) und der Innenseite des Gehäusebodens (1b) im Bereich des einseitig aufliegenden Überhangs (6g) des Montageelements (6e) oder im Bereich des beidseitig aufliegender Überhangs (L) des Montageelements (6e)
    DATA
    Daten-Pin am Stecker (Con) des Ultraschallmoduls (SM)
    DRV
    Treiberschaltung zur direkten Ansteuerung des Transducers (TR)
    DRV1
    erste Leitung zur differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelementes (2)
    DRV2
    zweite Leitung zur differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelementes (2)
    DSUP
    Diode als Verpolungsschutz
    ESD
    beispielhafter Angriffspunkt eines ESD-Ereignisses an dem Ultraschallmodul (SM)
    ESD_GND
    ESD-Masseanschluss des Gehäuses (1)
    GND
    Masse-Pin am Stecker (Con)
    GNDA
    interne analoge Versorgungsmasse des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    GNDB
    Anschluss der Systemmasse an den Ansteuerschaltkreis (USctr)
    GNDD
    interne digitale Versorgungsmasse des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    GNDP
    Versorgungsmasse der Ansteuerschaltung (USctr) nach Siebung und Verpolungsschutz
    h
    Aufbauhöhe aus Kleber (3, 3b, 8) und Montageelement oder Montagering (6) und Schwingelement (2)
    hG
    Höhe des Gehäuses
    L
    Bereich des beidseitig aufliegender Überhangs des Montageelements (6e) über die Oberkante (3c) des elektrisch isolierenden Klebers (3, 3b).
    LG
    Durchmesser des typischerweise runden Gehäuses (Andere Gehäuseformen sind natürlich möglich.)
    LIN_M
    Masseleitung des Datenbusses
    LIN_S
    Signalleitung des Datenbusses
    n
    vorzugsweise ganzzahliger, positiver Faktor zwischen der Wellenlänge λL der abgestrahlten Schallwellen in Luft und dem Durchmesser LG des typischerweise runden Gehäuses (1) bzw. Gehäusebodens (1a).
    PCB
    Platine innerhalb des Ultraschallmoduls (SM). Diese trägt typischerweise die Auswerteschaltung (USctr) und ihre externen Komponenten (siehe 1). Sie ist in dem Gehäuse des Ultraschallmoduls mit dem Transducer (TR) und dem Stecker (Con) elektrisch und mechanisch verbunden.
    RAIN
    Auskoppelwiderstand für den Ultraschall-Transducer (TR) entsprechend dem Stand der Technik
    RSUP
    Vorwiderstand in der Versorgungsleitung, der der Tiefpassfilterung der Versorgung dient
    RSUP_TD
    Vorwiderstand in der Siebung des Bezugsknotens des Übertragers (UE)
    RTD1
    Dämpfungswiderstand und Anpassung für den Ultraschall-Transducer (TR) entsprechend dem Stand der Technik
    SL1
    erste akustische Stichleitung oder Abzweigleitung
    SL2
    zweite akustische Stichleitung oder Abzweigleitung
    SM
    Ultraschallmodul. Das Ultraschallmodul beinhaltet typischerweise das PCB mit dem Auswerteschaltkreis (USctr) und dessen Peripherie, den Stecker (Con) zum Anschluss des Ultraschallmoduls, und den Ultraschall-Transducer (TR). Der Gehäuseboden (1a), des Gehäuses (1) zeigt in 3 nach links. Diese Schallabstrahlung erfolgt daher in dem Beispiel nach links.
    Sym1
    erste Symmetrieachse des beispielhaften runden Montagerings (6i, 6j). Eine Spiegelung an dieser Symmetrieachse bildet den linken Teil der Geometrie des Montagerings (6i) auf den rechten Teil ab.
    Sym2
    zweite Symmetrieachse des beispielhaften, runden Montagerings (6i, 6j). Eine Spiegelung an dieser Symmetrieachse bildet den oberen Teil der Geometrie des Montagerings (6i) auf den unteren Teil ab.
    T1
    erster Transistor der Treiberschaltung (DRV) zur direkten Ansteuerung des Ultraschall-Transducers (TR)
    T2
    zweiter Transistor der Treiberschaltung (DRV) zur direkten Ansteuerung des Ultraschall-Transducers (TR)
    T3
    dritter Transistor der Treiberschaltung (DRV) zur direkten Ansteuerung des Ultraschall-Transducers (TR)
    T4
    vierter Transistor der Treiberschaltung (DRV) zur direkten Ansteuerung des Ultraschall-Transducers (TR)
    TR
    Transducer
    UE
    Übertrager entsprechend dem Stand der Technik
    USctr
    Ansteuerschaltkreis des Ultraschall-Transducers (TR)
    VBAT
    ungefilterte Versorgungsspannung, vorzugsweise die DC-Versorgungsspannung eines Kfz. Diese ist typischerweise mit Störsignalen belastet.
    VDDA
    interne analoge Versorgungsspannung des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    VDDD
    interne digitale Versorgungsspannung des Ansteuerschaltkreises (USctr).
    VDRV
    Betriebsspannung der Treiberschaltung (DRV) bzw. Anschluss für einen Siebkondensator zur Stabilisierung der Betriebsspannung der Treiberschaltung (DRV).
    VSUP
    Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung (USctr) nach Siebung und Verpolungsschutz
    VSUP
    Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung (USctr) nach Siebung und Verpolungsschutz
    VSUP_LINE
    Versorgungsspannungs-Pin am Stecker (Con) des Ultraschallmoduls (SM)

Claims (2)

  1. Schwingsystem bestehend aus einem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) als Schwingkörper und mindestens einem die Schwingung dieses Schwingkörpers antreibenden piezoelektrische Schwingelement (2) pro Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer (TR), wobei das piezoelektrische Schwingelement (2) des Schwingsystems mit dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) mechanisch verbunden ist und wobei die mechanische Verbindung zwischen piezoelektrischem Schwingelement (2) des Schwingsystems und dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) durch eine Klebung mittels eines Klebers und/oder eine Lötung und/oder Schweißung erfolgt ist, und wobei das Schwingsystem bestehend aus dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) und dem piezoelektrischen Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1, 1a, 1c) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie von dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1, 1a, 1c) den elastischen Kleber (3) schneidet, gekennzeichnet dadurch, dass das Schwingsystem des Ultraschall-Transducers bestehend aus Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) und piezoelektrischem Schwingelement (2) bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelementes durch einen Ansteuerschaltkreis zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz, die voneinander verschieden sind, aufweist, und dass zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von den drei Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelementes (2) ohne anmontiertes Montageelement und den Frequenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden ist und dass das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) mindestens eine Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder Ausstülpung (SL1, SL2) aufweist und dass das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von einem Durchmesser oder der Lage der Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder der Größe oder Länge der Ausstülpung (SL1, SL2) auf dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) abhängt.
  2. Schwingsystem bestehend aus einem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) als Schwingkörper und mindestens einem die Schwingung dieses Schwingkörpers antreibenden piezoelektrische Schwingelement (2) pro Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer (TR), wobei das piezoelektrische Schwingelement (2) des Schwingsystems mit dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) mechanisch verbunden ist und wobei die mechanische Verbindung zwischen piezoelektrischem Schwingelement (2) des Schwingsystems und dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) durch eine Klebung mittels eines Klebers und/oder eine Lötung und/oder Schweißung erfolgt ist, und wobei das Schwingsystem bestehend aus dem Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) und dem piezoelektrischen Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1, 1a, 1c) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie von dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1, 1a, 1c) den elastischen Kleber (3) schneidet, gekennzeichnet dadurch, dass das Schwingsystem des Ultraschall-Transducers bestehend aus Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) und piezoelektrische Schwingelement (2) bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelementes (2) durch einen Ansteuerschaltkreis (US) zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz, die voneinander verschieden sind, aufweist, und dass zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von den drei Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelementes (2) ohne anmontiertes Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) und den Frequenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden ist und dass das Montageelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) mindestens eine Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder Ausstülpung unterhalb des Schwingelements (2) aufweist, die die akustische Impedanz des Schwingelementes (2) an die akustische Impedanz des Montageelementes (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) anpasst, und dass das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von einem Durchmesser der Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder Ausstülpung auf dem Montagelement (6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, 6k) abhängt.
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