DE102019102243A1 - Transducer element, ultrasonic sensor assembly and ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wandlerelement zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Ultraschallschwingungen zur Benutzung in einem Ultraschallsensor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Abstandsmessung und/oder zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem, wobei das Wandlerelement aufweist:
wenigstens eine erste Elektrode an einer ersten Seite des Wandlerelements und eine zweite Elektrode an einer zweiten Seite des Wandlerelements, wobei die zweite Seite des Wandlerelements der ersten Seite des Wandlerelements gegenüberliegt,
wenigstens eine erste Elektrode an einer ersten Seite des Wandlerelements und eine zweite Elektrode an einer zweiten Seite des Wandlerelements, wobei die zweite Seite des Wandlerelements der ersten Seite des Wandlerelements gegenüberliegt,
wobei das Wandlerelement eine elektrisch leitfähige Umkontaktierung aufweist, die sich von der zweiten Elektrode bis zur ersten Seite des Wandlerelements erstreckt, so dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode von der ersten Seite des Wandlerelements elektrisch kontaktierbar sind,
wobei die erste Elektrode eine Elektroden-Geometrie aufweist, die:
a) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich mindestens zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen ist, oder
b) wenigstens im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Wandlerelement-Symmetriepunktes ist.
The invention relates to a transducer element for generating and / or receiving ultrasonic vibrations for use in an ultrasonic sensor, in particular for a motor vehicle, in particular for distance measurement and / or for use in a driver assistance system, the transducer element having:
at least a first electrode on a first side of the transducer element and a second electrode on a second side of the transducer element, the second side of the transducer element being opposite the first side of the transducer element,
at least a first electrode on a first side of the transducer element and a second electrode on a second side of the transducer element, the second side of the transducer element being opposite the first side of the transducer element,
wherein the transducer element has an electrically conductive changeover contact, which extends from the second electrode to the first side of the transducer element, so that the first electrode and the second electrode can be electrically contacted from the first side of the transducer element,
wherein the first electrode has an electrode geometry that:
a) is at least substantially symmetrical with respect to at least two transducer element axes of symmetry, or
b) is at least essentially point-symmetrical with respect to a transducer element symmetry point.
Description
Die Erfindung betrifft ein Wandlerelement und eine Ultraschallsensor-Baugruppe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Abstandsmessung und/oder zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem. Die Erfindung betrifft außerdem einen Ultraschallsensor mit einem Wandlerelement oder einer Ultraschallsensor-Baugruppe.The invention relates to a transducer element and an ultrasound sensor assembly, in particular for a motor vehicle, in particular for distance measurement and / or for use in a driver assistance system. The invention also relates to an ultrasonic sensor with a transducer element or an ultrasonic sensor assembly.
Ultraschallsensoren sowie entsprechende Wandlerelemente und Ultraschallsensor-Baugruppen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Bei bereits bekannten Ultraschallsensoren ist typischerweise ein Wandlerelement, insbesondere ein piezoelektrisch aktives Element, auf eine biegesteife Membran geklebt. Das PiezoElement kann aus einem keramischen Werkstoff gefertigt werden, der auf den flächigen Seiten mit einer Metallisierung beschichtet ist. Diese Metallisierung dient dann als Elektroden des Piezo-Elements. Eine der Elektroden ist der Membran zugewandt, wobei die Membran in ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors integriert sein kann oder einen Teil des Gehäuses darstellen kann.Ultrasound sensors and corresponding transducer elements and ultrasound sensor assemblies are known in principle from the prior art. In the case of already known ultrasonic sensors, a transducer element, in particular a piezoelectrically active element, is typically glued to a rigid membrane. The piezo element can be made from a ceramic material that is coated with a metallization on the flat sides. This metallization then serves as electrodes of the piezo element. One of the electrodes faces the membrane, the membrane being able to be integrated in a housing part of the ultrasonic sensor or being part of the housing.
Die Elektroden sind elektrisch mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbunden. Die Kontaktierung der Elektroden im Stand der Technik ist teilweise problematisch. Eine der Elektroden (im Folgenden auch „obere Elektrode“ genannt) ist im Allgemeinen innerhalb des Gehäuses zugänglich. Deren elektrische Kontaktierung ist im Allgemeinen nicht problematisch. Probleme können aber bei der Kontaktierung der anderen Elektrode auftreten, die der Membran zugewandt ist (im Folgenden auch „untere Elektrode“ genannt), weil sie weniger leicht zugänglich ist.The electrodes are electrically connected to control and evaluation electronics. The contacting of the electrodes in the prior art is sometimes problematic. One of the electrodes (hereinafter also referred to as the “upper electrode”) is generally accessible inside the housing. Their electrical contacting is generally not problematic. However, problems can arise when contacting the other electrode that faces the membrane (hereinafter also referred to as the “lower electrode”) because it is less easily accessible.
Im Stand der Technik findet sich unter anderem ein Ansatz zum Kontaktieren der unteren Elektrode, der sich einer sogenannten Umkontaktierung bedient. Eine solche Umkontaktierung weist im Allgemeinen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der unteren Elektrode und der oberen Seite des Wandlerelements (also der Seite des Wandlerelements, an der auch die obere Elektrode angeordnet ist) auf. An der oberen Seite des Wandlerelements ist die Umkontaktierung als Kontaktfläche ausgebildet. Somit können beide Elektroden auf der oberen Seite des Wandlerelements kontaktiert werden: die obere Elektrode durch Kontaktieren dieser Elektrode selbst, und die untere Elektrode durch Kontaktieren der Kontaktfläche der Umkontaktierung.In the prior art there is, among other things, an approach for contacting the lower electrode, which uses a so-called re-contact. Such a changeover contact generally has an electrically conductive connection between the lower electrode and the upper side of the transducer element (that is to say the side of the transducer element on which the upper electrode is also arranged). On the upper side of the converter element, the changeover contact is designed as a contact surface. Thus, both electrodes can be contacted on the upper side of the transducer element: the upper electrode by contacting this electrode itself, and the lower electrode by contacting the contact area of the changeover contact.
Ein Wandlerelement mit Umkontaktierung ist beispielsweise aus der
Der Erfinder hat erkannt, dass Ultraschallsensoren gemäß dem Stand der Technik, wie beispielhaft in der
Wenn dieselbe Membran sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt wird, sollte das Schwingungssystem eine hohe Dämpfung aufweisen. Im Allgemeinen wird dies durch das Aufbringen eines dämpfenden Materials auf die Membran
Um eine hohe Schallwandlungseffizienz und eine Richtwirkung zu erreichen, die von einer zentralen Hauptkeule dominiert wird, wird im Allgemeinen der Grundmode der Membran
Darüber hinaus entsteht nach Erkenntnis des Erfinders eine Amplitudenmodulation des Signals, wenn die Gesamtschwingungsenergie über mehrere Moden mit jeweils signifikantem Anteil verteilt ist. Diese Amplitudenmodulation kann auch dann noch von der Auswerteelektronik fälschlicherweise als reflektiertes Echo-Signal interpretiert werden, wenn die Signalenergie der parasitären Moden durch Filter reduziert wird.In addition, according to the inventor's knowledge, an amplitude modulation of the signal occurs when the total vibration energy is distributed over several modes, each with a significant proportion. This amplitude modulation can still be misinterpreted by the evaluation electronics as a reflected echo signal if the signal energy of the parasitic modes is reduced by filters.
Aufgrund der zeitlich begrenzten Anregung im Pulsbetrieb enthält jedes Anregungssignal auch Frequenzanteile außerhalb der Arbeitsfrequenz, also der Frequenz der Grundmode. Folglich werden im Pulsbetrieb stets auch die höheren, parasitären Moden der Membran angeregt.Due to the time-limited excitation in pulse mode, each excitation signal also contains frequency components outside the working frequency, that is, the frequency of the basic mode. Consequently, the higher, parasitic modes of the membrane are always excited in the pulse mode.
Der Erfinder hat erkannt, dass die relativ starke Anregung der parasitären Moden der Membran (wie in
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Wandlerelement bereitzustellen, insbesondere ein verbessertes Wandlerelement, eine alternative, insbesondere verbesserte, Ultraschallsensor-Baugruppe und einen alternativen, insbesondere verbesserten, Ultraschallsensor.Against this background, it is an object of the invention to provide an alternative transducer element, in particular an improved transducer element, an alternative, in particular improved, ultrasonic sensor assembly and an alternative, in particular improved, ultrasonic sensor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wandlerelement, eine Ultraschallsensor-Baugruppe und einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.According to the invention, this object is achieved by a transducer element, an ultrasound sensor assembly and an ultrasound sensor with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Unter dem Begriff „Wandlerelement“ wird vorliegend ein Sensorelement verstanden, welches in Abhängigkeit von einem Signal Ultraschallwellen erzeugen und aussenden kann und/oder welches aus empfangenen Ultraschallwellen in Abhängigkeit von den empfangenen Ultraschallwellen ein Signal erzeugen kann.In the present case, the term “transducer element” is understood to mean a sensor element which can generate and transmit ultrasonic waves as a function of a signal and / or which can generate a signal from received ultrasonic waves as a function of the received ultrasonic waves.
Ein Wandlerelement im Sinne der Erfindung weist insbesondere wenigstens ein PiezoElement mit einer polykristallinen Piezo-Keramik auf. Dieses Wandlerelement kann mithilfe eines Signalimpulses wenigstens eine Ultraschallmembran zu definierten Schwingungen anregen, welche mittels der Ultraschallmembran an die Umgebung übertragen werden können. Insbesondere können ebenso Ultraschallwellen aus der Umgebung die Ultraschallmembran anregen und über diese die Piezo-Keramik in Schwingungen versetzt werden und infolgedessen ein definierter Signalimpuls erzeugt werden.A transducer element in the sense of the invention has in particular at least one piezo element with a polycrystalline piezo ceramic. With the aid of a signal pulse, this transducer element can excite at least one ultrasound membrane to defined vibrations, which can be transmitted to the environment by means of the ultrasound membrane. In particular, ultrasound waves from the environment can also excite the ultrasound membrane and cause the piezo-ceramic to vibrate, and as a result a defined signal pulse can be generated.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Wandlerelement zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Ultraschallschwingungen zur Benutzung in einem Ultraschallsensor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Abstandsmessung und/oder zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem, wobei das Wandlerelement aufweist:
- wenigstens eine erste Elektrode an einer ersten Seite des Wandlerelements und eine zweite Elektrode an einer zweiten Seite des Wandlerelements, wobei die zweite Seite des Wandlerelements der ersten Seite des Wandlerelements gegenüberliegt,
- wobei das Wandlerelement eine elektrisch leitfähige Umkontaktierung aufweist, die sich von der zweiten Elektrode bis zur ersten Seite des Wandlerelements erstreckt, so dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode von der ersten Seite des Wandlerelements elektrisch kontaktierbar sind,
- wobei die erste Elektrode eine Elektroden-Geometrie aufweist, die:
- a) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich mindestens zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen ist, oder
- b) wenigstens im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Wandlerelement-Symmetriepunktes ist.
- at least a first electrode on a first side of the transducer element and a second electrode on a second side of the transducer element, the second side of the transducer element being opposite the first side of the transducer element,
- wherein the transducer element has an electrically conductive changeover contact, which extends from the second electrode to the first side of the transducer element, so that the first electrode and the second electrode can be electrically contacted from the first side of the transducer element,
- wherein the first electrode has an electrode geometry that:
- a) is at least substantially symmetrical with respect to at least two transducer element axes of symmetry, or
- b) is at least essentially point-symmetrical with respect to a transducer element symmetry point.
Wenn das Wandlerelement gemäß dem ersten Aspekt mit einer Membran und einem Ultraschallsensorgehäuse gemäß
In der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe „Wandlerelement-Symmetrieachse“, „Wandlerelement-Symmetriepunkt“, „Membran-Symmetrieachse“ und „Membran-Symmetriepunkt“ benutzt. Diese Begriffe dienen lediglich zur Unterscheidung, d. h. es handelt sich jeweils um eine Symmetrieachse bzw. einen Symmetriepunkt der Geometrie der ersten Elektrode des Wandlerelements bzw. der Membran.In the present application, the terms “transducer element symmetry axis”, “transducer element symmetry point”, “membrane symmetry axis” and “membrane symmetry point” are used. These terms are only used to distinguish, i. H. each is an axis of symmetry or a point of symmetry of the geometry of the first electrode of the transducer element or the membrane.
Der Erfinder hat festgestellt, dass ein Wandlerelement mit einer ersten Elektrode, die eine Elektrodengeometrie gemäß Variante a) oder b) des ersten Aspekts aufweist, zu weniger parasitärem Schwingungsverhalten führen kann als bei der Verwendung eines Wandlerelements, das diesen Bedingungen nicht genügt.The inventor has found that a transducer element with a first electrode, which has an electrode geometry according to variant a) or b) of the first aspect, can lead to less parasitic oscillation behavior than when using a transducer element that does not meet these conditions.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Ultraschallsensor-Baugruppe, aufweisend:
- ein Wandlerelement gemäß dem ersten Aspekt, und
- eine Membran, die eine Membran-Geometrie aufweist, die im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Membran-Symmetriepunktes ist, und/oder:
- a) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich genau einer Membran-Symmetrieachse ist, oder
- b) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich genau zwei Membran-Symmetrieachsen ist, oder
- c) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich mehr als zwei, insbesondere unendlich vieler Membran-Symmetrieachsen ist.
- a transducer element according to the first aspect, and
- a membrane which has a membrane geometry which is essentially point-symmetrical with respect to a membrane symmetry point, and / or:
- a) is at least substantially symmetrical with respect to exactly one membrane axis of symmetry, or
- b) is at least substantially symmetrical with respect to exactly two membrane axes of symmetry, or
- c) is at least substantially symmetrical with respect to more than two, in particular an infinite number of membrane symmetry axes.
Das Zusammenspiel der gemäß dem zweiten Aspekt definierten Membran-Geometrie und der gemäß dem ersten Aspekt definierten Elektroden-Geometrie kann zu einem besonders vorteilhaften Schwingungsverhalten der Membran führen, insbesondere ein Schwingungsverhalten, bei dem parasitäre Moden nicht oder nur in vergleichsweise geringem Umfang angeregt werden und bei dem die Anregung der Membran relativ schnell ausklingt, insbesondere schneller als es gemäß der
Nach einer Ausführung ist eine Ultraschallsensor-Baugruppe so definiert, dass, in Projektion auf eine Ebene:
- a) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Membran-Symmetrieachse verläuft, und/oder
- b) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen mit wenigstens einer Membran-Symmetrieachse zusammenfällt, und/oder
- c) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen senkrecht auf wenigstens einer Membran-Symmetrieachse steht, und/oder
- d) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen einen Winkel von 45 Grad mit wenigstens einer Membran-Symmetrieachse einschließt, und/oder
- e) wenigstens zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen im Wesentlichen mit wenigstens zwei Membran-Symmetrieachsen zusammenfallen, und/oder
- f) wenigstens zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen im Wesentlichen einen Winkel von 45 Grad paarweise mit wenigstens zwei Membran-Symmetrieachsen einschließen, und/oder
- g) der Wandlerelement-Symmetriepunkt im Wesentlichen mit dem Membran-Symmetriepunkt zusammenfällt, und/oder
- h) der Wandlerelement-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf einer Membran-Symmetrieachse liegt, und/oder
- i) der Wandlerelement-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf zwei Membran-Symmetrieachsen liegt, und/oder
- j) der Membran-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf einer Wandlerelement-Symmetrieachse liegt, und/oder
- k) der Membran-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen liegt.
- a) at least one transducer element axis of symmetry runs essentially parallel to at least one membrane axis of symmetry, and / or
- b) at least one transducer element axis of symmetry essentially coincides with at least one membrane axis of symmetry, and / or
- c) at least one transducer element axis of symmetry is substantially perpendicular to at least one membrane axis of symmetry, and / or
- d) at least one transducer element axis of symmetry essentially encloses an angle of 45 degrees with at least one membrane axis of symmetry, and / or
- e) at least two transducer element axes of symmetry essentially coincide with at least two membrane axes of symmetry, and / or
- f) include at least two transducer element axes of symmetry essentially an angle of 45 degrees in pairs with at least two membrane axes of symmetry, and / or
- g) the transducer element symmetry point essentially coincides with the membrane symmetry point, and / or
- h) the transducer element symmetry point lies essentially on a membrane axis of symmetry, and / or
- i) the transducer element symmetry point lies essentially on two membrane symmetry axes, and / or
- j) the membrane symmetry point lies essentially on a transducer element axis of symmetry, and / or
- k) the membrane symmetry point lies essentially on two transducer element axes of symmetry.
Nach dieser Ausführung werden verschiedene Konstellationen, also verschiedene Kombinationen von Elektroden-Geometrien und Membran-Geometrien, als vorteilhaft angesehen, insbesondere hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens. Dabei treten durchaus Unterschiede unter den verschiedenen Kombinationen auf, was das Unterdrücken von parasitären Moden betrifft. So können beispielsweise die Varianten e) und f) als besonders vorteilhaft angesehen werden.According to this embodiment, different constellations, that is to say different combinations of electrode geometries and membrane geometries, are considered advantageous, in particular with regard to their vibration behavior. There are differences between the different combinations when it comes to suppressing parasitic modes. For example, variants e) and f) can be regarded as particularly advantageous.
Nach einer Ausführung ist das Wandlerelement so mit der Membran verbunden, dass die erste Seite des Wandlerelements von der Membran weg orientiert ist und die zweite Seite des Wandlerelements zur Membran hin orientiert ist.According to one embodiment, the transducer element is connected to the membrane such that the first side of the transducer element is oriented away from the membrane and the second side of the transducer element is oriented toward the membrane.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Ultraschallsensor-Baugruppe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Abstandsmessung und/oder zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem, aufweisend:
- ein Wandlerelement zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Ultraschallschwingungen, wobei das Wandlerelement wenigstens eine erste Elektrode an einer ersten Seite des Wandlerelements und eine zweite Elektrode an einer zweiten Seite des Wandlerelements aufweist, wobei die zweite Seite des Wandlerelements der ersten Seite des Wandlerelements gegenüberliegt,
- eine Membran, die eine Membran-Geometrie aufweist, die
- a) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich genau einer Membran-Symmetrieachse ist, oder
- b) im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines Membran-Symmetriepunktes ist, aber nicht achsensymmetrisch ist,
- a) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich genau einer Wandlerelement-Symmetrieachse ist, oder
- b) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich genau zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen ist, oder
- c) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch bezüglich mehr als zwei, insbesondere unendlich vieler Wandlerelement-Symmetrieachsen ist.
- a transducer element for generating and / or receiving ultrasonic vibrations, the transducer element having at least a first electrode on a first side of the transducer element and a second electrode on a second side of the transducer element, the second side of the transducer element being opposite the first side of the transducer element,
- a membrane that has a membrane geometry that
- a) is at least substantially symmetrical with respect to exactly one membrane axis of symmetry, or
- b) is essentially point-symmetrical with respect to a membrane symmetry point, but is not axisymmetric,
- a) is at least substantially symmetrical with respect to exactly one transducer element axis of symmetry, or
- b) is at least substantially symmetrical with respect to exactly two transducer element axes of symmetry, or
- c) is at least substantially symmetrical with respect to more than two, in particular an infinite number of transducer element axes of symmetry.
Obwohl die Geometrien gemäß dem dritten Aspekt sich teilweise von den Geometrien gemäß dem zweiten Aspekt unterscheiden, ist der Grundgedanke, der dem zweiten und dritten Aspekt zugrunde liegt, der gleiche, d. h. die Geometrien/Symmetrien und deren Kombinationen sind erfindungsgemäß so gewählt, dass das Schwingungsverhalten verbessert werden kann und insbesondere, dass parasitäre Moden möglichst wenig angeregt, insbesondere unterdrückt, werden.Although the geometries according to the third aspect differ in part from the geometries according to the second aspect, the basic idea on which the second and third aspects are based is the same, i. H. the geometries / symmetries and their combinations are selected according to the invention such that the vibration behavior can be improved and in particular that parasitic modes are excited as little as possible, in particular suppressed.
Nach einer Ausführung sind die Geometrien der Ultraschallsensor-Baugruppe so definiert, dass, in Projektion auf eine Ebene:
- a) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen parallel zu der Membran-Symmetrieachse verläuft, oder
- b) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen mit der Membran-Symmetrieachse zusammenfällt, oder
- c) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen senkrecht auf der Membran-Symmetrieachse steht, oder
- d) wenigstens eine Wandlerelement-Symmetrieachse im Wesentlichen einen Winkel von 45 Grad mit der Membran-Symmetrieachse einschließt, oder
- e) der Wandlerelement-Symmetriepunkt im Wesentlichen mit dem Membran-Symmetriepunkt zusammenfällt, oder
- f) der Wandlerelement-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf der Membran-Symmetrieachse liegt, oder
- g) der Membran-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf einer Wandlerelement-Symmetrieachse liegt, oder
- h) der Membran-Symmetriepunkt im Wesentlichen auf zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen liegt.
- a) at least one transducer element axis of symmetry runs essentially parallel to the membrane axis of symmetry, or
- b) at least one transducer element axis of symmetry essentially coincides with the membrane axis of symmetry, or
- c) at least one transducer element axis of symmetry is substantially perpendicular to the membrane axis of symmetry, or
- d) at least one transducer element axis of symmetry essentially forms an angle of 45 degrees with the membrane axis of symmetry, or
- e) the transducer element symmetry point essentially coincides with the membrane symmetry point, or
- f) the transducer element point of symmetry lies essentially on the membrane axis of symmetry, or
- g) the membrane symmetry point lies essentially on a transducer element axis of symmetry, or
- h) the membrane symmetry point lies essentially on two transducer element symmetry axes.
Nach einer Ausführung ist die Ebene parallel zu der ersten Seite des Wandlerelements und/oder zu der zweiten Seite des Wandlerelements und/oder zu einer dem Wandlerelement zugewandten Seite der Membran.According to one embodiment, the plane is parallel to the first side of the transducer element and / or to the second side of the transducer element and / or to a side of the membrane facing the transducer element.
Typischerweise verlaufen die erste Seite des Wandlerelements, die zweite Seite des Wandlerelements und die Seite der Membran, die dem Wandlerelement zugewandt ist, parallel, so dass sich die jeweiligen Projektionen entsprechen.Typically, the first side of the transducer element, the second side of the transducer element and the side of the membrane that faces the transducer element run parallel, so that the respective projections correspond.
Nach einer Ausführung des oben beschriebenen Wandlerelements bzw. der oben beschriebenen Ultraschallsensor-Baugruppe weist die Umkontaktierung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aus einem leitfähigen Material auf, wobei der erste Abschnitt eine Kontaktfläche an der ersten Seite des Wandlerelements bildet und wobei sich der zweite Abschnitt am Außenumfang des Wandlerelements zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Wandlerelements erstreckt.According to an embodiment of the above-described transducer element or the above-described ultrasonic sensor assembly, the changeover contact has a first section and a second section made of a conductive material, the first section forming a contact area on the first side of the transducer element and the second section extends on the outer periphery of the transducer element between the first side and the second side of the transducer element.
Der erste Abschnitt der Umkontaktierung kann somit zur Kontaktierung der zweiten Elektrode dienen, weil die Kontaktfläche, die durch den ersten Abschnitt gebildet wird, durch den zweiten Abschnitt der Umkontaktierung mit der zweiten Elektrode elektrisch in Verbindung steht.The first section of the changeover contact can thus serve to contact the second electrode, because the contact area formed by the first section is electrically connected to the second electrode by the second section of the changeover contact.
Nach einer Ausführung ist die Umkontaktierung als Beschichtung ausgebildet, insbesondere mit oder aus Silber.According to one embodiment, the changeover contact is designed as a coating, in particular with or made of silver.
Ein vierter Aspekt betrifft einen Ultraschallsensor, aufweisend ein Wandlerelement wie oben beschrieben, oder eine Ultraschallsensor-Baugruppe wie oben beschrieben.A fourth aspect relates to an ultrasonic sensor, comprising a transducer element as described above or an ultrasonic sensor assembly as described above.
Die mit Bezug auf das Wandlerelement vorgestellten vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausführungsformen sowie deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Ultraschallsensor-Baugruppe und den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor und umgekehrt.The advantageous refinements and embodiments presented with reference to the transducer element and their advantages also apply correspondingly to the ultrasonic sensor assembly according to the invention and the ultrasonic sensor according to the invention and vice versa.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese Kombinationen ausführbar und insbesondere technisch sinnvoll sind.Further features of the invention result from the claims, the figures and the description of the figures. All of the features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own, provided that these combinations are executable and are particularly technically sensible.
Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.The invention will now be explained in more detail with the aid of some preferred exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings, in which functionally identical or functionally similar components are provided with the same reference numerals.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 eine Draufsicht auf ein Wandlerelement gemäß dem Stand der Technik, -
2 einen Schnitt durch einen Ultraschallsensor mit einem Wandlerelement gemäß dem Stand der Technik, -
3 eine Draufsicht einer Ultraschallsensor-Baugruppe mit einem Wandlerelement und einer Membran gemäß dem Stand der Technik, -
4 eine Membran mit Schwingungsbäuchen gemäß dem Stand der Technik, -
5 das Schwingungsverhalten eines Ultraschallsensors gemäß dem Stand der Technik, -
6 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
7 einen Schnitt durch einen Ultraschallsensor mit einem Wandlerelement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
8 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
9 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
10 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
11 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
12 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
13 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
14 eine Draufsicht eines Wandlerelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
15 eine Draufsicht einer Membran mit einem Schwingungsbauch nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
16 das Schwingungsverhalten einer Ultraschallsensor-Baugruppe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 3 shows a plan view of a converter element according to the prior art, -
2nd 3 shows a section through an ultrasonic sensor with a transducer element according to the prior art, -
3rd 1 shows a top view of an ultrasonic sensor assembly with a transducer element and a membrane according to the prior art, -
4th a membrane with antinodes according to the prior art, -
5 the vibration behavior of an ultrasonic sensor according to the prior art, -
6 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
7 3 shows a section through an ultrasonic sensor with a transducer element according to an exemplary embodiment of the invention, -
8th 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
9 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
10th 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
11 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
12th 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
13 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
14 2 shows a top view of a transducer element according to an embodiment of the invention, -
15 a plan view of a membrane with an antinode according to an embodiment of the invention, and -
16 the vibration behavior of an ultrasonic sensor assembly according to an embodiment of the invention.
Anders als bei dem in
Aufgrund der kreisrunden Form der ersten Elektrode
Das Wandlerelement
Bei Betrachtung der
Die
In jeder der
- 1. Das Schwingungsverhalten ist besonders gut, wenn die Geometrie der ersten Elektrode
1 unendlich viele Symmetrieachsen hat. - 2. Bei Verwendung einer ersten Elektrode mit mindestens zwei Symmetrieachsen ist das Schwingungsverhalten besonders gut, wenn mindestens eine dieser Wandlerelement-Symmetrieachsen parallel zu mindestens einer Symmetrieachse der Membran verläuft. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn eines der Wandlerelemente der
6 oder 8 bis14 in der gezeigten Orientierung auf derMembran 5 der15 in der gezeigten Orientierung montiert wird. Dabei muss das Wandlerelement nicht notwendigerweise zentral auf derMembran 5 angeordnet werden. - 3. Als Sonderfall der im vorigen Absatz beschriebenen Konstellationen werden noch bessere Ergebnisse erzielt, wenn mindestens eine der Wandlerelement-Symmetrieachsen mit mindestens einer Membran-Symmetrieachse zusammenfällt, noch besser, wenn mindestens zwei Wandlerelement-Symmetrieachsen mit mindestens zwei Membran-Symmetrieachsen zusammenfallen. Letzteres wäre beispielsweise der Fall, wenn eines der Wandlerelemente
20 der 6 oder 8 bis14 in der gezeigten Orientierung zentral auf derMembran 5 der15 angeordnet wird. - 4. Gleichwohl kann das Schwingungsverhalten gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden, wenn keine Wandlerelement-Symmetrieachse parallel zu einer Membran-Symmetrieachse verläuft oder mit einer solchen zusammenfällt, wobei dann aber vorzugsweise mindestens eine Wandlerelement-Symmetrieachse mit mindestens einer Membran-Symmetrieachse einen Winkel von 90 oder 45 Grad einschließt. Hier ist wiederum eine zentrale Positionierung des Wandlerelements
20 auf derMembran 5 bevorzugt, aber nicht zwingend. Ein solcher Fall könnte sich ergeben, wenn eine Membran verwendet wird, die beispielsweise nur eine Symmetrieachse hat (beispielsweise eine annäherungsweise trapezförmige Membran) undwenn ein Wandlerelement 20 der 6 ,8 ,9 oder14 so auf dieser Membran montiert wird, dass sich beispielsweise ein Winkel von 45 Grad ergibt. Bei Benutzung eines Wandlerelements mit genau einer Symmetrieachse lässt sich auch ein Winkel von 90 Grad zwischen der Wandlerelement-Symmetrieachse und der Membran-Symmetrieachse erzeugen. - 5. Auch bei der Verwendung eines Wandlerelements oder einer Membran ohne Symmetrieachse lässt sich eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik erreichen, wenn entweder das Wandlerelement oder die Membran eine Punktsymmetrie aufweist und das andere Bauteil entweder auch punktsymmetrisch ist und/oder mindestens eine Symmetrieachse, vorzugsweise zwei Symmetrieachsen, und vorzugsweise mehr als zwei Symmetrieachsen, insbesondere unendlich viele Symmetrieachsen, aufweist. Hier könnte für eines der Bauteile (Membran; erste Elektrode) beispielsweise die Geometrie eines Parallelogramms verwendet werden und für das andere Bauteil ein Kreis, eine Ellipse, ein Rechteck, Quadrat, Trapez, Parallelogramm usw.
- 6. Bei den im vorangegangenen Absatz beschriebenen Konstellationen fällt die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik wiederum größer aus, wenn die Symmetriepunkte der Bauelemente zusammenfallen oder wenn der Symmetriepunkt des einen Bauelements auf einer Symmetrieachse des anderen Bauelements liegt, insbesondere mit dem Schnittpunkt von zwei oder mehr Symmetrieachsen zusammenfällt.
- 7. Auch die Verwendung eines Bauteils (Membran; erste Elektrode), das mehr als zwei Symmetrieachsen hat, aber nicht punktsymmetrisch ist, kann eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen. Eine entsprechende Geometrie könnte beispielsweise als regelmäßiges Fünf-, Sieben- oder Neun-Eck ausgebildet sein.
- 8. Die Geometrie des mindestens einen Umkontaktierungsbereichs hat zwar auch einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten, in den meisten Fällen aber einen kleineren Einfluss als die Geometrie der Membran bzw. der ersten Elektrode und die Relativposition und Orientierung dieser Bauelemente zueinander. Insofern wäre es als Variante beispielsweise der
6 möglich, nur einen Umkontaktierungsbereich3 auf dem Wandlerelement 20 anzuordnen, solange die erste Elektrode ihre Symmetrie beibehält. Andere Varianten basierend aufden 6 bzw.8 bis14 sind auch denkbar, beispielsweise Umkontaktierungsbereiche, die nicht um 180 Grad versetzt sind, sondern um einen beliebigen anderen Winkel;Umkontaktierungsbereiche 3 , die nicht die gleiche Form haben;ein Umkontaktierungsbereich 3 , der, anders als inden 11 ,12 und 13 , nicht geschlossen um die ersteElektrode 1 umläuft, sondern eine Unterbrechung hat.
- 1. The vibration behavior is particularly good when the geometry of the
first electrode 1 has an infinite number of axes of symmetry. - 2. When using a first electrode with at least two axes of symmetry, the vibration behavior is particularly good if at least one of these transducer element axes of symmetry is parallel to at least one The axis of symmetry of the membrane runs. This would be the case, for example, if one of the
transducer elements 6 or8th to14 in the orientation shown on themembrane 5 of the15 is mounted in the orientation shown. The transducer element does not necessarily have to be central on themembrane 5 to be ordered. - 3. As a special case of the constellations described in the previous paragraph, even better results are achieved if at least one of the transducer element symmetry axes coincides with at least one membrane symmetry axis, even better if at least two transducer element symmetry axes coincide with at least two membrane symmetry axes. The latter would be the case, for example, if one of the
transducer elements 20 of the6 or8th to14 in the orientation shown, centrally on themembrane 5 of the15 is arranged. - 4. Nevertheless, the vibration behavior can be improved compared to the prior art if no transducer element axis of symmetry runs parallel to or coincides with a membrane symmetry axis, but then preferably at least one transducer element axis of symmetry with at least one membrane symmetry axis has an angle of Includes 90 or 45 degrees. Here again is a central positioning of the
transducer element 20 on themembrane 5 preferred but not mandatory. Such a case could arise if a membrane is used which, for example, has only one axis of symmetry (for example an approximately trapezoidal membrane) and if atransducer element 20 of the6 ,8th ,9 or14 is mounted on this membrane so that, for example, there is an angle of 45 degrees. When using a transducer element with exactly one axis of symmetry, an angle of 90 degrees can also be generated between the transducer element axis of symmetry and the membrane axis of symmetry. - 5. Even when using a transducer element or a membrane without an axis of symmetry, an improvement over the prior art can be achieved if either the transducer element or the membrane has point symmetry and the other component is also point symmetrical and / or at least one axis of symmetry, preferably has two axes of symmetry, and preferably more than two axes of symmetry, in particular an infinite number of axes of symmetry. Here, for example, the geometry of a parallelogram could be used for one of the components (membrane; first electrode) and a circle, an ellipse, a rectangle, square, trapezoid, parallelogram, etc. for the other component.
- 6. In the constellations described in the previous paragraph, the improvement over the prior art is again greater if the symmetry points of the components coincide or if the symmetry point of one component lies on an axis of symmetry of the other component, in particular with the intersection of two or more Axes of symmetry coincide.
- 7. The use of a component (membrane; first electrode) that has more than two axes of symmetry but is not point-symmetrical can represent an improvement over the prior art. A corresponding geometry could be designed, for example, as a regular pentagon, heptagon, or nine corner.
- 8. The geometry of the at least one contact-change region also has an influence on the vibration behavior, but in most cases has a smaller influence than the geometry of the membrane or the first electrode and the relative position and orientation of these components to one another. In this respect it would be a variant, for example, of
6 possible, only one contacting area3rd on thetransducer element 20 to be arranged as long as the first electrode maintains its symmetry. Other variants based on the6 or.8th to14 are also conceivable, for example, through-contact regions that are not offset by 180 degrees, but by any other angle; Rerouting areas3rd that are not the same shape; a via area3rd who, unlike in the11 ,12th and13 , not closed around thefirst electrode 1 circulates, but has an interruption.
In den zuvor dargestellten, beschriebenen oder angedeuteten Ausführungsbeispielen ist bezüglich der Symmetrieachsen oder Symmetriepunkte der ersten Elektrode bzw. der Membran anzumerken, dass die Verbesserung des Schwingungverhaltens (insbesondere die Vermeidung von parasitären Moden) umso stärker ausfällt, je exakter ein Symmetriepunkt mit einem anderen Symmetriepunkt zusammenfällt oder auf einer Symmetrieachse liegt, oder je exakter eine Symmetrieachse parallel zu einer anderen Symmetrieachse ist, mit dieser zusammenfällt, um einen Winkel von 45 oder 90 Grad verdreht ist, oder je exakter das Wandlerelement
In der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe „elektrischer Kontakt“, „leitfähig“ o.ä. verwendet. Diese beziehen sich insbesondere auf Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 104 S/cm.In the present application, the terms “electrical contact”, “conductive” or the like are used. used. These relate in particular to materials with an electrical conductivity of more than 10 4 S / cm.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Erste/obere ElektrodeFirst / top electrode
- 22nd
- Zweite/untere ElektrodeSecond / lower electrode
- 33rd
- Umkontaktierung/UmkontaktierungsbereichRerouting / Rerouting area
- 44th
- Piezo-KeramikPiezo ceramic
- 55
- Membranmembrane
- 1010th
- UltraschallsensorUltrasonic sensor
- 1111
- Erstes GehäuseteilFirst housing part
- 1212th
- Zweites GehäuseteilSecond housing part
- 1313
- Dichtungpoetry
- 2020
- WandlerelementTransducer element
- 2121
- SchwingungsbauchAntinode
- 100100
- WandlerelementTransducer element
- 101101
- Obere ElektrodeUpper electrode
- 102102
- Untere ElektrodeLower electrode
- 103103
- UmkontaktierungReconnection
- 104104
- Piezo-KeramikPiezo ceramic
- 105105
- Membranmembrane
- 110110
- UltraschallsensorUltrasonic sensor
- 111111
- Erstes GehäuseteilFirst housing part
- 112112
- Zweites GehäuseteilSecond housing part
- 113113
- Dichtungpoetry
- 120, 121120, 121
- SchwingungsbäucheAntinodes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102006011155 A1 [0005]DE 102006011155 A1 [0005]
Claims (10)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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DE102019102243.6A DE102019102243A1 (en) | 2019-01-30 | 2019-01-30 | Transducer element, ultrasonic sensor assembly and ultrasonic sensor |
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---|---|---|---|---|
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WO2016147917A1 (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-22 | 株式会社村田製作所 | Ultrasonic sensor |
-
2019
- 2019-01-30 DE DE102019102243.6A patent/DE102019102243A1/en active Pending
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