DE102019115032A1 - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Ultraschall-Wandler (1) beschrieben, der ein Behältnis (2) mit einer Öffnung, einem Boden (3) und eine Wand (4) aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe (5) ist innerhalb des Behältnisses (2) auf dem Boden (3), der auch als Membran dient, angeordnet. Außerdem weist der Ultraschall-Wandler (1) einen Deckel (6) auf, der das Behältnis (2) verschließt. In den Deckel (6) ist eine Elektronik (7) integriert, die die piezoelektrische Scheibe (5) elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe (5) zu steuern und auszulesen.An ultrasonic transducer (1) is described which has a container (2) with an opening, a base (3) and a wall (4). A piezoelectric disc (5) is arranged inside the container (2) on the base (3), which also serves as a membrane. The ultrasonic transducer (1) also has a cover (6) which closes the container (2). Electronics (7) which make electrical contact with the piezoelectric disk (5) and are designed to control and read out the piezoelectric disk (5) are integrated into the cover (6).
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler.The invention relates to an ultrasonic transducer.
Ultraschall-Wandler werden regelmäßig zur Distanzmessung in unterschiedlichsten Sachbereichen benutzt. Im Sendebetrieb wird bei der Distanzmessung ein Ultraschallsignal als Puls vom Ultraschall-Wandler ausgesandt, der, nachdem er auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis trifft, teilweise wieder zurück reflektiert wird. Im Empfangsbetrieb wird dieser zurückreflektierte Puls detektiert, wodurch eine Laufzeit ermittelt werden kann. Da die Ultraschallwellen sich in Luft aber auch in Wasser mit bekannten Schallgeschwindigkeiten ausbreiten, kann mit Hilfe der Laufzeit die Distanz zu dem reflektieren Objekt berechnet werden.Ultrasonic transducers are regularly used to measure distances in a wide variety of areas. In transmission mode, an ultrasound signal is sent out as a pulse from the ultrasound transducer when measuring the distance, which is partially reflected back after it hits an object or another obstacle. In the receiving mode, this reflected pulse is detected, whereby a transit time can be determined. Since the ultrasonic waves propagate in air but also in water with known speeds of sound, the distance to the reflected object can be calculated with the aid of the transit time.
Diese Technik ist in der Schifffahrt beispielsweise seit Langem als Sonar oder Echolot bekannt. Als Sonar wird eine Distanzmessung in vorwiegend horizontaler Richtung, also beispielsweise zu anderen Schiffen, und als Echolot eine Distanzmessung in vorwiegend vertikaler Richtung, etwa zur Messung der Wassertiefe oder der Meeresgrund-Topografie, genannt. Neuere Autos setzten die Distanzmessung mittels Ultraschall beispielsweise bei Einpark-Assistenzsystemen ein, die dem Fahrer bei einem geringen Abstand zu einem nahen Objekt ein Warnsignal mitteilen. Die Ultraschall-Wandler sind meist in den Stoßstangen untergebracht, die relativ viel Raum für den Einbau eines Ultraschall-Wandlers samt einem Gehäuse und der benötigten Elektronik bieten.This technology has long been known in shipping as sonar or echo sounder, for example. A distance measurement in a predominantly horizontal direction, for example to other ships, is referred to as sonar, and a distance measurement in a predominantly vertical direction, for example to measure the water depth or the seabed topography, as an echo sounder. Newer cars use ultrasound distance measurement, for example in parking assistance systems, which give the driver a warning signal when the distance to a nearby object is short. The ultrasonic transducers are usually housed in the bumpers, which offer a relatively large amount of space for the installation of an ultrasonic transducer including a housing and the required electronics.
Neue technologische Entwicklungen und Anwendungen, wie beispielsweise Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter und autonome Roboter im Allgemeinen stellen neue Herausforderungen an einen Ultraschall-Wandler, der zur Distanzmessung geeignet ist.New technological developments and applications, such as drones, robot vacuum cleaners, robotic lawn mowers and autonomous robots in general, pose new challenges for an ultrasonic transducer that is suitable for distance measurement.
Ein Ultraschall-Wandler, der kompakter und robuster ist, ist daher wünschenswert.An ultrasonic transducer that is more compact and robust is therefore desirable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschall-Wandler bereitzustellen, der kompakter und robuster ist.The object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer which is more compact and robust.
Die vorliegende Aufgabe wird durch den Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.The present object is achieved by the ultrasonic transducer according to claim 1. Further advantageous designs and potential arrangements can be found in the further claims.
Es wird ein Ultraschall-Wandler beschrieben, der ein Behältnis mit einer Öffnung, einem Boden und Wänden aufweist. Eine piezoelektrische Scheibe ist innerhalb des Behältnisses auf dem Boden, der auch als Membran dient, angeordnet. Außerdem weist der Ultraschall-Wandler einen Deckel auf, der das Behältnis verschließt. In den Deckel ist eine Elektronik integriert, die die piezoelektrische Scheibe elektrisch kontaktiert und dazu ausgestaltet ist die piezoelektrische Scheibe zu steuern und auszulesen.An ultrasonic transducer is described which has a container with an opening, a base and walls. A piezoelectric disc is arranged inside the container on the floor, which also serves as a membrane. In addition, the ultrasonic transducer has a lid that closes the container. Electronics are integrated in the cover, which make electrical contact with the piezoelectric disk and are designed to control and read out the piezoelectric disk.
Die Integration der Elektronik im Deckel macht den Ultraschall-Wandler äußerst kompakt, so dass er in Anwendungen, die wenig Raum für den Ultraschall-Wandler bieten, eingesetzt werden kann. Immer kleiner werdende Roboter, wie Drohnen, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder Roboter die beispielsweise in der Logistik oder in der industriellen Fertigung eingesetzt werden, bieten wenig Raum für einzelne Bauteile, weswegen es einen starken Bedarf nach kleineren kompakteren Sensoren und insbesondere für Ultraschall-Wandler gibt. Mit der Integration der Elektronik im Deckel ist es, im Gegensatz zu üblichen Ultraschall-Wandlern, nicht nötig, den Ultraschall-Wandler in ein externes Gehäuse zu bauen, in dem die Elektronik verbaut ist. Indem die Funktion eines schallgebenden Behältnisses mit der Funktion eines Sensor-Gehäuses vereint wird, kann der Ultraschall-Wandler der vorliegenden Erfindung konträr zu üblichen Ultraschall-Wandlern, bei denen das schallgebende Behältnis in das Sensor-Gehäuse eingebaut wird, sehr viel kompakter ausgeführt werden. Darüber hinaus können so Kosten bei der Produktion eingespart werden, da nicht zusätzliche elektrische und mechanische Schnittstellen benötigt werden und auf den Zusammenbau von Ultraschall-Wandler und Gehäuse verzichtet werden kann.The integration of the electronics in the cover makes the ultrasonic transducer extremely compact, so that it can be used in applications that offer little space for the ultrasonic transducer. Robots that are becoming ever smaller, such as drones, vacuum cleaner robots, lawn mower robots or robots that are used, for example, in logistics or in industrial production, offer little space for individual components, which is why there is a strong need for smaller, more compact sensors and especially for ultrasonic converters. With the integration of the electronics in the cover, in contrast to conventional ultrasonic transducers, it is not necessary to build the ultrasonic transducer in an external housing in which the electronics are installed. By combining the function of a sound-emitting container with the function of a sensor housing, the ultrasonic transducer of the present invention can, contrary to conventional ultrasonic transducers, in which the sound-emitting container is built into the sensor housing, be made much more compact. In addition, production costs can be saved, since additional electrical and mechanical interfaces are not required and the assembly of the ultrasonic transducer and housing can be dispensed with.
Im Sendebetrieb kann die piezoelektrische Scheibe, über eine von der Elektronik angelegten Wechselspannung, zu einer impulsartigen Schwingung mit einer Frequenz von etwa 50 kHz bis 100 kHz und einer vorbestimmten Anzahl von Perioden angeregt werden. Es kann sich beispielsweise um 8 Perioden handeln. Da die piezoelektrische Scheibe am Boden fixiert sein kann, kann der Boden als Membran mit schwingen und kann einen Ultraschallkegel aussenden. Trifft der Ultraschallkegel auf ein Objekt oder ein anderes Hindernis, kann er teilweise wieder zurück reflektiert werden. Der reflektierte Schallimpuls kann wiederum auf den Boden bzw. Membran treffen und kann sowohl im Boden als auch in der piezoelektrischen Scheibe eine mechanische Auslenkung mit der gleichen Frequenz wie der ausgesandte Schallimpuls induzieren. Die mechanische Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe kann eine Spannungsänderung an den angelegten Elektroden hervorrufen, die wiederum von der Elektronik ausgelesen werden kann. Aus der ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann die Distanz zu dem reflektierenden Objekt berechnet werden.In transmission mode, the piezoelectric disc can be excited to a pulse-like oscillation with a frequency of about 50 kHz to 100 kHz and a predetermined number of periods via an alternating voltage applied by the electronics. For example, it can be 8 periods. Since the piezoelectric disc can be fixed to the floor, the floor can vibrate as a membrane and can emit an ultrasonic cone. If the ultrasonic cone hits an object or another obstacle, it can partially be reflected back again. The reflected sound impulse can in turn hit the floor or membrane and can induce a mechanical deflection with the same frequency as the emitted sound impulse both in the floor and in the piezoelectric disc. The mechanical deflection of the piezoelectric disc can cause a voltage change on the applied electrodes, which in turn can be read out by the electronics. The distance to the reflecting object can be calculated from the determined transit time of the ultrasonic pulse and the known speed of sound.
Zwischen dem Boden, auf dem die piezoelektrische Scheibe angeordnet ist, und dem Deckel kann ein Dämpfungselement angeordnet sein, das das gesamte Behältnis ausfüllt. Das Dämpfungselement kann in erster Linie zur Dämpfung der Ultraschallschwingungen von der piezoelektrischen Scheibe aus in Richtung des Deckels dienen, kann das Behältnis jedoch auch noch zusätzlich stabilisieren. Die wichtigste Materialeigenschaft für das Dämpfungselement ist die Dämpfungskonstante, die bei typischen Ultraschallfrequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz möglichst groß sein sollte. Geeignete Materialien sind Gummis oder Schaumstoffe. Insbesondere Schaumstoffe aus Kunstoffen, wie etwa Silikon, die Gaseinschlüsse aufweisen sind für das Dämpfungselement geeignet. Diese können beispielsweise flüssig in das Behältnis gegeben werden, wo das Silikon aushärtet und das Behältnis formschlüssig ausfüllt.Between the base on which the piezoelectric disc is arranged and the cover can a damping element can be arranged which fills the entire container. The damping element can primarily serve to dampen the ultrasonic vibrations from the piezoelectric disc in the direction of the lid, but it can also additionally stabilize the container. The most important material property for the damping element is the damping constant, which should be as large as possible at typical ultrasonic frequencies between 50 kHz and 100 kHz. Suitable materials are rubbers or foams. In particular foams made of plastics, such as silicone, which have gas inclusions, are suitable for the damping element. These can, for example, be added in liquid form to the container, where the silicone hardens and fills the container in a form-fitting manner.
Die Anordnung eines elastischen Ringes, der ebenfalls aus Silikon sein kann, zwischen dem Dämpfungselement und dem Deckel kann dabei helfen, eine mögliche Übertragung von Vibrationen vom Behältnis an den Deckel zu verhindern. Überdies kann der elastische Ring zur Abdichtung zwischen dem Deckel und dem Behältnis dienen, so dass keine Feuchtigkeit oder Staub in das Behältnis gelangen kann.The arrangement of an elastic ring, which can also be made of silicone, between the damping element and the lid can help prevent any possible transmission of vibrations from the container to the lid. In addition, the elastic ring can serve to seal between the lid and the container, so that no moisture or dust can get into the container.
Der Deckel kann mit einem wiederverschließbaren Befestigungsmechanismus im Behältnis fixiert sein. Somit ist es möglich, jederzeit an die Unterseite des Deckels zu gelangen, um beispielsweise elektrische Komponenten oder Kontaktierungen zu prüfen oder zu reparieren. Ist der Deckel knapp gegenüber dem Querschnitt des Behältnisses ausgestaltet, kann es vorteilhaft sein, einen elastischen Ring unter dem Deckel zu positionieren, um beim Öffnen des Deckels ein wenig Freiraum zu gewinnen. Beim Befestigungsmechanismus kann es sich ausdrücklich um einen Einschnapp-Mechanismus handeln, der den Deckel an zumindest einer Position lösbar fixieren kann.The lid can be fixed in the container with a resealable fastening mechanism. It is thus possible to reach the underside of the cover at any time, for example to check or repair electrical components or contacts. If the lid is designed just opposite the cross-section of the container, it can be advantageous to position an elastic ring under the lid in order to gain a little space when the lid is opened. The fastening mechanism can expressly be a snap-in mechanism that can releasably fix the cover in at least one position.
Die Elektronik kann eine digitale I/O Schnittstelle auf einer Außenseite des Deckels aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die digitale I/O Schnittstelle ebenfalls die elektrische Versorgung des Ultraschallwandlers umsetzen. Indem der Anschluss direkt auf dem Deckel angeordnet wird, kann der Ultraschallwandler kompakt gehalten werden. Außerdem kann der Ultraschallwandler so unvermittelt kontaktiert werden und braucht keine weiteren elektrischen Anschlüsse. Die digitale I/O Schnittstelle eignet sich besonders zur Kommunikation, um beispielsweise Messsignale oder Warnsignale nach außen zu geben, da sie im Gegensatz zu analogen Schnittstellen eine höhere Störfestigkeit besitzt und daher auch in einer von Störsignalen belasteten Umgebung fehlerfrei funktioniert.The electronics can have a digital I / O interface on an outside of the cover. In a preferred embodiment, the digital I / O interface can also implement the electrical supply of the ultrasonic transducer. By placing the connector directly on the cover, the ultrasonic transducer can be kept compact. In addition, the ultrasonic transducer can be contacted immediately and does not need any further electrical connections. The digital I / O interface is particularly suitable for communication, for example to transmit measurement signals or warning signals to the outside world, as, in contrast to analog interfaces, it has a higher level of interference immunity and therefore functions without errors even in an environment loaded with interference signals.
Ferner kann der Boden dünner als 1 mm sein. Der Boden, der ebenfalls als Membran dient, muss einerseits elastisch genug sein, um den Auslenkbewegungen der piezoelektrischen Scheibe zu folgen, andererseits sollte er stabil genug sein, um äußeren Einflüssen, wie etwa Wasserstrahlen zur Reinigung, stand zuhalten. Eine Stärke vom Boden von weniger als 1 mm und mehr als 0,2 mm haben sich als vorteilhaft erwiesen. Die Stärke des Bodens, zusammen mit dem Durchmesser, kann auch wesentlich die Resonanzfrequenz bestimmen, an welcher das Bauteil vorteilhaft zur Abgabe und Aufnahme von Ultraschall betrieben werden kann.Furthermore, the bottom can be thinner than 1 mm. The floor, which also serves as a membrane, must on the one hand be elastic enough to follow the deflection movements of the piezoelectric disc, and on the other hand it should be stable enough to withstand external influences, such as water jets for cleaning. A thickness from the floor of less than 1 mm and more than 0.2 mm have proven advantageous. The thickness of the bottom, together with the diameter, can also essentially determine the resonance frequency at which the component can advantageously be operated for emitting and receiving ultrasound.
Die Stärke der Wände kann mehr als das 1,5-fache der Stärke des Bodens betragen und ist bevorzugt dicker als das 3-fache der Stärke des Bodens. Es hat sich gezeigt, dass solche Wandstärken geeignet sind, die Übertragung von Vibrationen des Bodens bzw. der Membran zu einer Fläche die parallel zum Boden verläuft, wie etwa dem Deckel oder einem Überstand des Behältnisses, der zur Halterung des Ultraschall-Wandlers benutzt werden kann, zu unterdrücken. Vibrationen, die über die Halterung an eine angrenzende Befestigung, die zur Applikation gehört, übertagen werden, könnten anschließend reflektiert werden und somit im Ultraschall-Wandler als Phantomsignal fälschlicherweise als ein Messsignal erfasst werden. Wird die Wandstärke so gewählt, dass sie mindestens das 1,5-fache der Stärke der Membran beträgt, kann einer Übertragung von Vibrationen vom Boden an andere Teile des Behältnisses unterbunden werden. Der Boden besitzt gewisse Eigenmoden, die mit in einer Eigenfrequenz schwingen und unter anderem durch die Stärke des Bodens bestimmt werden. Indem die Wand mindestens die 1,5-fache Stärke des Bodens besitzen kann, kann eine Übertragung der Schwingungsmoden an andere Bereiche des Behältnisses unterbunden werden. Die Wandstärke sollte allerdings nicht mehr als das 20-fache, bevorzugt nicht mehr als das 10-fache, der Stärke des Bodens betragen, da das Bauteil sonst zu schwer werden kann und eine kleine Ausführung des Bauteils schwerer zu realisieren ist.The thickness of the walls can be more than 1.5 times the thickness of the floor and is preferably thicker than 3 times the thickness of the floor. It has been shown that such wall thicknesses are suitable for the transmission of vibrations of the floor or the membrane to a surface that runs parallel to the floor, such as the lid or a protrusion of the container that can be used to hold the ultrasonic transducer , to suppress. Vibrations that are transmitted via the bracket to an adjacent attachment that belongs to the application could then be reflected and thus incorrectly recorded as a phantom signal as a measurement signal in the ultrasonic transducer. If the wall thickness is chosen so that it is at least 1.5 times the thickness of the membrane, the transmission of vibrations from the floor to other parts of the container can be prevented. The soil has certain natural modes that vibrate with a natural frequency and are determined, among other things, by the strength of the soil. Since the wall can have at least 1.5 times the thickness of the base, transmission of the vibration modes to other areas of the container can be prevented. However, the wall thickness should not be more than 20 times, preferably not more than 10 times, the thickness of the floor, since otherwise the component can become too heavy and a small version of the component is more difficult to implement.
Weiterhin kann das Behältnis dazu ausgelegt sein, eine Ebene der Schallausbreitungsrichtung zu bevorzugen. Indem der sich ausbreitende Schallkegel eingeengt wird, kann die Genauigkeit der Distanzmessung erhöht werden, da die Propagation der Schallwelle in eine Raumrichtung ausgeschlossen werden kann. Im einfachsten Fall wird das Behältnis dazu oval ausgebildet. Andere Formen des Behältnisses können ebenfalls dazu ausgestaltet sein, eine Ausbreitung des Schalls in einer Ebene zu bevorzugen.Furthermore, the container can be designed to give preference to a plane in the direction of sound propagation. By narrowing the propagating sound cone, the accuracy of the distance measurement can be increased, since the propagation of the sound wave in one spatial direction can be excluded. In the simplest case, the container is designed to be oval for this purpose. Other shapes of the container can also be designed to favor propagation of the sound in one plane.
Das Behältnis kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Ein Behältnis aus einem elektrisch leitenden Material, welches mit der elektrischen Masse des Sensors verbunden ist, erhöht die elektromagnetische Verträglichkeit, womit der Ultraschall-Wandler nicht ungewollt durch andere elektrische Geräte in der Umgebung gestört werden kann. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Erdung des Behältnisses über den optionalen digitalen I/O Anschluss realisiert sein. Insbesondere in kleineren mobilen Anwendungen, wie etwa Drohnen oder autonomen Robotern, können beispielsweise viele Elektromotoren verbaut sein, die elektromagnetische Störsignale aussenden können. Wird das Behältnis aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, können die piezoelektrischen Scheibe und eine im Inneren des Behältnisses angeordneten Elektronik gegenüber äußeren Störsignalen abgeschirmt werden.The container can consist of an electrically conductive material. A container made of an electrically conductive material, which is connected to the electrical ground of the sensor, increases the electromagnetic compatibility, with which the Ultrasonic transducers cannot be unintentionally disturbed by other electrical devices in the vicinity. In an advantageous embodiment, the grounding of the container can be implemented via the optional digital I / O connection. In particular in smaller mobile applications such as drones or autonomous robots, for example, many electric motors can be installed that can emit electromagnetic interference signals. If the container is made of an electrically conductive material, the piezoelectric disk and electronics arranged inside the container can be shielded from external interference signals.
Geeignete Materialien können Metalle wie Al, Cu, Sn, Fe, Stahl aber auch Legierungen sein. Da der Boden des Behältnisses auch als Membran wirkt, ist es vorteilhaft ein Material zu benutzen, das eine relativ hohe Flexibilität aufweist. Daher sind Metalle mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wie Al oder Sn besonders bevorzugt. Suitable materials can be metals such as Al, Cu, Sn, Fe, steel, but also alloys. Since the bottom of the container also acts as a membrane, it is advantageous to use a material that has a relatively high flexibility. Therefore, metals with a low elastic modulus such as Al or Sn are particularly preferred.
Weiterhin kann die innere Oberfläche das Behältnis partiell aufgeraut und/oder geglättet sein. Die Oberfläche im Inneren des Behältnisses aufzurauen, hat zur Folge, dass Materialien besser an dieser Oberfläche haften, aber dafür auch der Ultraschall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Eine Glättung der Oberfläche mindert eine Haftung an der Oberfläche, streut jedoch den Ultraschall nicht. Aus diesem Grunde kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die Oberfläche des Bodens angrenzend zur piezoelektrischen Scheibe aufzurauen damit diese ebendort besser haftet. Der Rest der Fläche des Bodens im Inneren des Behältnisses kann beispielsweise geglättet sein, um die Haftung eines Dämpfungselements an dieser Stelle zu mindern und somit einer Auslenkung der piezoelektrischen Scheibe weniger zu behindern. Ergänzend können die Innenseiten der Wände auch aufgeraut sein, womit der Schall an dieser Oberfläche stärker gestreut wird. Zur Aufrauhung kann etwa ein Sandstrahl-, oder Ätzverfahren und zur Glättung ein Schleif-, oder Beschichtungsverfahren verwendet werden.Furthermore, the inner surface of the container can be partially roughened and / or smoothed. Roughening the surface inside the container means that materials adhere better to this surface, but the ultrasound is also more strongly scattered on this surface. Smoothing the surface reduces adhesion to the surface, but does not scatter the ultrasound. For this reason it can be advantageous, for example, to roughen the surface of the floor adjacent to the piezoelectric disc so that it adheres better there. The rest of the area of the bottom inside the container can be smoothed, for example, in order to reduce the adhesion of a damping element at this point and thus to prevent a deflection of the piezoelectric disc less. In addition, the inside of the walls can also be roughened, which means that the sound is more strongly scattered on this surface. A sandblasting or etching process can be used for roughening, and a grinding or coating process for smoothing.
Ein Teil des Bodens oder einer Fläche des Behältnisses, die parallel zum Boden verläuft, kann eine dickere Stärke aufweisen als die zur piezoelektrischen Scheibe angrenzende Bodenfläche, die als Membran genutzt wird. Die verstärkten Flächen stabilisieren das Behältnis und sind dafür geeignet als Auflageflächen an einer Befestigung, einem Gerüst oder einem Tragwerk in einer Anwendung genutzt zu werden.A part of the base or a surface of the container which runs parallel to the base can have a thicker thickness than the base surface adjoining the piezoelectric disc, which is used as a membrane. The reinforced surfaces stabilize the container and are suitable for use as support surfaces on a fastening, a frame or a supporting structure in an application.
Die verstärkten Flächen können auf einer äußeren Oberfläche ein adhäsives Material aufweisen. Somit ist ein unproblematischer Einbau des Ultraschall-Wandlers in eine Anwendung gewährleistet. Der Ultraschall-Wandler muss dafür lediglich an die vorgesehene Stelle positioniert werden, so dass das adhäsive Material an der Befestigung haftet. Es ist wünschenswert, dass das adhäsive Material aus einem schaumartigen weichen Material mit Gaseinschlüssen besteht, das Vibrationen vom Ultraschall-Wandler zu der Befestigung dämpft.The reinforced areas can have an adhesive material on an outer surface. This ensures that the ultrasonic transducer can be installed in an application without any problems. The ultrasonic transducer only needs to be positioned at the intended location so that the adhesive material adheres to the attachment. It is desirable that the adhesive material consists of a foam-like soft material with gas inclusions that dampens vibrations from the ultrasonic transducer to the attachment.
Auf einer äußeren Oberfläche des Behältnisses können schalldämpfende Komponenten angeordnet sein. Die schalldämpfenden Komponenten dämpfen den Ultraschall und Vibrationen bezüglich einer unerwünschten Propagationsrichtung. Vorzugsweise sind die schalldämpfenden Komponenten aus einem schaumartigen Material. Eine Ausführung als elektrisch leitfähiges Material ist wünschenswert, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandlers nicht zu mindern, sondern, im Gegenteil, noch zu erhöhen.Sound-absorbing components can be arranged on an outer surface of the container. The sound-absorbing components dampen the ultrasound and vibrations with regard to an undesired direction of propagation. The sound-absorbing components are preferably made of a foam-like material. Execution as an electrically conductive material is desirable in order not to reduce the electromagnetic compatibility of the ultrasonic transducer but, on the contrary, to increase it.
In einer Ausführungsform ist der Deckel eine Leiterplatte. Auf diese Weise kann die Elektronik leicht in den Deckel integriert werden und alle benötigten elektrischen Bauteile können ohne weiteres elektrisch kontaktiert werden. Zusätzlich kann, da die Leiterbahnen moduliert werden können, die Anordnung von elektrischen Bauteilen auf der Leiterbahn verändert werden, so dass die elektrischen Komponenten platzsparend oder geometrisch vorteilhaft angeordnet werden können.In one embodiment, the cover is a printed circuit board. In this way, the electronics can be easily integrated into the cover and all required electrical components can easily be electrically contacted. In addition, since the conductor tracks can be modulated, the arrangement of electrical components on the conductor track can be changed, so that the electrical components can be arranged in a space-saving or geometrically advantageous manner.
Wird eine Leiterplatte als Deckel verwendet, kann diese flexibel sein. Somit kann Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe zum Deckel propagiert, gedämpft werden und sowohl Phantomsignale als auch die Übertragung von Vibrationen unterdrückt werden. Außerdem kann der Einbau einer flexiblen Leiterplatte als Deckel gegenüber einer starren Leiterplatte leichter ausführbar sein.If a circuit board is used as a cover, it can be flexible. Thus, ultrasound propagating from the piezoelectric disk to the cover can be dampened and both phantom signals and the transmission of vibrations can be suppressed. In addition, the installation of a flexible circuit board as a cover can be carried out more easily compared to a rigid circuit board.
Die Leiterplatte kann auf der Außenseite elektrische Massefläche aufweisen, die geerdet sind. Somit kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Ultraschall-Wandler erhöht werden. Zugleich können die auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten sowie die Leiterplatte selbst vor gefährlichen Spannungsspitzen geschützt werden.The circuit board can have electrical ground planes on the outside, which are grounded. In this way, the electromagnetic compatibility of the ultrasonic transducer can be increased. At the same time, the electrical components arranged on the circuit board and the circuit board itself can be protected from dangerous voltage peaks.
Weiterhin kann die Leiterplatte, die als Deckel genutzt wird, in eine plastische Masse eingegossen sein. Bevorzugt ist die plastische Masse auch nach dem Aushärten flexibel, um Vibrationen zu dämpfen. Die plastische Masse füllt vorhandene Ritzen oder Löcher in der Leiterplatte sowie Spalte zwischen Leiterplatte und Behältnis. Demnach wird das Behältnis luftdicht versiegelt und die Ausbreitung der Ultraschallwellen in diese Richtung kann unterdrückt werden. Darüber hinaus kann so ein dichter Verschluss mit einem Deckel realisiert werden, der keinen Berührungspunkt zu den Wänden des Behältnisses hat. Somit werden Übertragungen von Vibrationen zwischen Deckel und Wänden unterdrückt. Als plastische Masse kann etwa ein Silikon oder ein weiches Harz benutzt werden.Furthermore, the circuit board, which is used as a cover, can be cast in a plastic compound. The plastic mass is preferably also flexible after hardening in order to dampen vibrations. The plastic mass fills existing cracks or holes in the circuit board and gaps between the circuit board and the container. Accordingly, the container is sealed airtight and the propagation of the ultrasonic waves in this direction can be suppressed. In addition, a tight closure can be realized with a lid that has no point of contact with the walls of the container. This suppresses the transmission of vibrations between the cover and the walls. A silicone or a soft resin can be used as the plastic mass.
Die Leiterplatte kann elektrische Komponenten aufweisen, die auf einer Fläche der Leiterplatte, die zur piezoelektrischen Scheibe zeigt, angeordnet sind. Somit sind die elektrischen Komponenten sowohl vor möglichen Schaden auf Grund von mechanischen oder chemischen Umwelteinflüssen als auch vor äußeren elektromagnetischen Störsignalen geschützt. Zusätzlich kann durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht unebene Oberfläche des Deckels der Ultraschall gestreut werden und eine ungewünschte Propagation des Ultraschalls vermindert werden.The circuit board can have electrical components which are arranged on a surface of the circuit board that faces the piezoelectric disc. The electrical components are thus protected against possible damage due to mechanical or chemical environmental influences as well as against external electromagnetic interference signals. In addition, the uneven surface of the lid caused by the electrical components can scatter the ultrasound and reduce undesired propagation of the ultrasound.
Der Ultraschall-Wandler nach der vorliegenden Erfindung kann in einer Anordnung integriert sein, die eine Befestigung für eine zugehörige Anwendung aufweist, wobei der Ultraschallsensor ohne weiteres Gehäuse direkt an der Befestigung angeordnet sein kann. Eine solche Anordnung benötigt kein weiteres Gehäuse für den Ultraschall-Wandler, so dass Platz eingespart wird und der Ultraschall-Wandler auch in einer gedrängten Umgebung eingesetzt werden kann. Das ermöglicht den Gebrauch des Ultraschall-Wandlers in Applikationen, die üblichen Ultraschall-Wandler verwehrt bleiben, wie etwa kleinen Drohnen oder autonomen Robotern.The ultrasonic transducer according to the present invention can be integrated in an arrangement which has a fastening for an associated application, wherein the ultrasonic sensor can be arranged directly on the fastening without further housing. Such an arrangement does not require an additional housing for the ultrasonic transducer, so that space is saved and the ultrasonic transducer can also be used in a crowded environment. This enables the use of the ultrasonic transducer in applications that conventional ultrasonic transducers cannot, such as small drones or autonomous robots.
Ein Gerät kann einen Ultraschall-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei das Gerät dazu ausgestaltet sein kann, auf Basis eines von dem Ultraschall-Wandler ermittelten Signals eine Distanz des Geräts zu einem Objekt zu messen. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um autonome Roboter, wie selbstfahrende Roboter in der Lagerlogistik oder in der industriellen Fertigung, Staubsaugerroboter, Rasenmäherroboter oder autonome fliegende Objekte wie Drohnen handeln. Der Ultraschall-Wandler kann aber auch in Geräten wie Autos, Ladestationen in der Elektromobilität oder Laptops sowie Steuergeräte mit Monitor als Schnittstelle zum Bediener eingesetzt werden.A device can have an ultrasonic transducer according to the present invention, wherein the device can be configured to measure a distance of the device to an object on the basis of a signal determined by the ultrasonic transducer. The device can be, for example, autonomous robots, such as self-driving robots in warehouse logistics or in industrial production, vacuum cleaner robots, lawn mower robots or autonomous flying objects such as drones. The ultrasonic transducer can also be used in devices such as cars, charging stations in electromobility or laptops as well as control devices with monitors as an interface to the operator.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher beschrieben.
-
1 zeigt eine Explosionsansicht eines Ultraschall-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung. -
2 zeigt einen Querschnitt eines zusammengefügten Ultraschall-Wandler.
-
1 Figure 11 shows an exploded view of an ultrasonic transducer according to the present invention. -
2 Figure 10 shows a cross-section of an assembled ultrasonic transducer.
In
Im Inneren des Behältnisses
Über die digitale I/O Schnittstelle
Der Deckel
Durch die Anordnung der Elektronik
Darüber hinaus fördert die unebene Oberfläche, die durch die elektrischen Komponenten hervorgebracht wird, eine Streuung von Ultraschall, der von der piezoelektrischen Scheibe
Indem die Leiterplatte
Der Deckel
Das Dämpfungselement
Auf einer äußeren Oberfläche der Verbindungsfläche, zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses
Entlang einer äußeren Oberfläche der Wand
In
Die Verbindungsfläche zwischen dem oberen und unteren Teil des Behältnisses
Idealerweise ist das Behältnis
Das Behältnis
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Ultraschall-WandlerUltrasonic transducer
- 22
- Behältniscontainer
- 33
- Bodenground
- 44th
- Wandwall
- 55
- piezoelektrische Scheibepiezoelectric disc
- 66th
- Deckelcover
- 77th
- Elektronikelectronics
- 88th
- DämpfungselementDamping element
- 99
- digitale I/O Schnittstelledigital I / O interface
- 1010
- adhäsives Materialadhesive material
- 1111
- vibrationsdämpfende Komponentevibration damping component
- 1212
- LeiterplatteCircuit board
- 1313th
- KlebeschichtAdhesive layer
- 1414th
- Drahtwire
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