WO2017089609A2 - Schwingelement für einen ultraschall-transducer mit mehrfachresonanz - Google Patents

Schwingelement für einen ultraschall-transducer mit mehrfachresonanz Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a vibration system for an ultrasonic transducer, a mounting element for such a vibration system, an ultrasonic transducer with such a vibration system and a circuit for controlling such a vibration system. Further, the invention relates to a vibrating element for a multi-resonance ultrasonic transducer, a vibrating element for an ultrasonic transducer having a translation lattice-based multiple resonance, and a vibrating element for an ultrasonic transducer having a multiple-resonance rotational periodicity.
  • ultrasonic transducers are known in the prior art. These play, for example, in connection with the distance detection when parking vehicles an important role.
  • an ultrasonic wave is emitted by an ultrasonic transducer, reflected by an object in the path of the vehicle, and typically recovered by the same ultrasonic transducer.
  • the duration and the amplitude can be used to deduce the presence of an obstacle in the track and, secondly, the distance to the ultra-sound sound transducer.
  • the ultrasound transducer thus operates at least temporarily as an ultrasound transmitter and at times as an ultrasound receiver.
  • Fig. Figure 1 shows a typical circuit of the prior art. At this point, the importance of all components of the circuit is not discussed. Instead, there is a restriction to the most important parts of the circuit. The components are so far named in the list of reference numbers that a person skilled in the art can rework the circuit.
  • the transducer TR is caused to send by the drive circuit US ctr via the first line DRV1 and the second line DRV2 for differential driving of its piezoelectric vibrating element (2, FIG. 2).
  • the output signal of the drive circuit US ct r is clamped to optimally adapt the output DRV1, DRV2 of the drive circuit to US ctr to the resonance impedance of the piezoelectric see oscillating element (2, Fig. 2) of the ultrasonic transducer TR guarantee . If the piezoelectric vibrating element (2, Fig. 2) of the ultrasonic transducer TR is not driven, so can through a substantially capacitive network C T DI, C A INI, C A IN2, RAIN in cooperation with the inductance of the transmitter UE by the piezoelectric vibrating element (2, Fig.
  • Fig. Figure 2 shows a typical ultrasonic transducer in cross-section.
  • the ultrasound transducers are typically not rotationally symmetrical.
  • On the housing there are typically two repeatedlyl iegende Abfla ⁇ tions in order to ensure a defined mounting.
  • the abstra hl Characteristic ⁇ in the art mod ied by a varying thickness of the housing wall.
  • Typical prior art ultrasonic transducers exhibit this varying case thickness to adjust the aperture angles in the x and y directions. This method of forming the radiation angle is relatively complicated because it requires complex three-dimensional shapes.
  • the diameter of the housing varies in the prior art between 14 and 18 mm, but this is not exactly n * A L , where n is an integer and A L is the wavelength of the scarf in the air, but the various frequencies in the each same sensor module housing by a broadband housing resonance emitting bar and receiving bar be.
  • the wavelength A L is at a typical Schwingfreq uenz of 58 kHz at 5.9 mm in air at room temperature, and at 108 mm in Al uminium.
  • the wavelength in aluminum uminium, from which the housing of the ultrasonic transducer is made, is therefore typically by a factor of 18.3 greater than the wavelength in air.
  • an ultrasonic transducer with two or more resonance frequencies and different emission characteristics is advantageous in order to be able to use these different emission characteristics for different measurement tasks.
  • Exemplary characteristics of the ultrasonic transducer at these resonant frequencies would be a wide angle of beam spread in health ⁇ zer range and alternatively a small opening angle of the sound beam at g reat range (eg., 6 to 8 m). This would he union such as a near field ⁇ kennu ng for ultra stale lbasierende parking aids in an automotive bumper ⁇ mög.
  • the ultrasonic transducer is made symmetrical to a 2-axis 13.
  • the ultrasonic transducer has a housing 1 with a housing bottom 1b and housing walls lc.
  • the housing 1 is at least partially, preferably as a whole, electrically conductive, for example made of aluminum and manufactured, for example, in a thermoforming process.
  • a piezoelectric vibrating element 2 is bonded by means of an electrically conductive adhesive 8 in the housing 1 on the housing bottom lb.
  • the piezoelectric vibrating element 2 has a second electrical contact 2b, which is attached to the side of the piezoelectric vibrating element 2, which faces the electrically conductive adhesive 8.
  • the second electrical contact of the piezoelectric oscillating element 2 is thus typically electrically conductively connected to the electrically conductive adhesive 8.
  • the other first contact 2a is typically located on the other surface of the piezoelectric vibrating element 2 facing the surface with the second contact 2b of the piezoelectric vibrating element 2.
  • the first contact 2a of the piezoelectric vibrating element 2 is therefore largely electrically isolated from the second contact 2b of the piezoelectric vibrating element 2, apart from the capacitive coupling between the two.
  • the electrically conductive adhesive 8 contacts the piezoelectric vibrating element 2 up to an outer adhesive edge 3c. This typically has an outer edge 2c, which typically has a larger diameter than the said adhesive edge 3c.
  • the first electrical contact 2a of the piezoelectric oscillating element 2 is typically connected by means of a first electrical supply line 4.
  • the housing 1 and thus also the second electrical contact 2b of the piezoelectric oscillating element 2 are connected via a second supply line 5. If a voltage is applied between the first and second supply line 4, 5, it is due to the Piezoelectric properties of the piezoelectric vibrating element 2 to a contraction or expansion thereof depending on the polarity of the applied voltage.
  • the housing bottom lb and the housing wall lc in mechanical resonance and a sound wave is emitted through the housing bottom lb down into the air.
  • the diameter of the housing bottom is typically an integer (n-fold) multiple of the wavelength X L of the sound in the air at transmission frequency. In the past, it has proven to be useful if the diameter of the housing bottom was 6 times the sound wave length L in air.
  • Fig. 3 shows a simplified cross section through the ultrasound module SM.
  • a printed circuit PCB typically carries the drive circuit (USctr, Fig. 1) and the peripheral devices (see Fig. 1).
  • This printed circuit board PCB can be connected to the outside world via a plug Con.
  • the ultrasonic transducer TR is located to the left of the printed circuit rotated by 90 ° with the housing bottom (lc, Fig. 2) pointing to the left.
  • the ultrasonic transducers are mounted directly in the bumper of a vehicle. If necessary, a coating prevents direct contact with electrically charged objects.
  • ESD - In the case of an electrostatic discharge - commonly referred to as ESD event ESD - prevents the capacitive network C T DI, C A INI, C A IN2, RAIN in cooperation with the inductance of the transmitter UE that this ESD pulse the drive circuit US ctr unattenuated reach and damage it.
  • Fig. 4 shows a prior art circuit without the transmitter UE with another drive circuit US ctr suitable for such a direct drive.
  • the ultrasonic Transd ucer TR is in the example of FIG. 4 d irectly operated and controlled by means of the first line DRV1 and the second line DRV2.
  • the first line DRV1 and the second line DRV2 of the driver DRV are outputs. This makes effective ESD protection difficult, because the transmission energy must be introduced into the converter via these two lines DRV1, DRV2 and any ESD protection element in the supply line would reduce the drive efficiency.
  • the Empfangssig signal by means of a first input ⁇ sig nals AI NG for the coupling of the Empfangssig signals of the transducer TR in the drive circuit US ctr which plays the Rol le a signal ground , and with ⁇ means of a second conductedsig nals AINS for the Coupling the Empfangssig- nal of the transducer TR in the drive circuit US ctr , which plays the role of Sig nals, tapped and fed to the processing.
  • the second supply line (5, FIG. 2) is connected to the second line DRV2 and capacitively connected to the second input signal (AI NG).
  • the first supply line (4, FIG. 2) is connected to the first line DRV1 and capacitively connected to the first input signal AINS.
  • the assembly takes place on a free-punched or etched mounting island (reference numeral 11-2 of the J PU-S61 29 596), which has four cross-shaped symmetrically arranged webs (reference numeral 11- 1 of JP S61- 29 596 U9 d he mechanical connection to a remaining Frame, which is part of the mounting element (reference numeral 11 of the J PU-S61 29 596) .
  • This Anord arrangement of mounting element (reference numeral 11 of the J PU- S61 29 596) and piezoelectric vibrating element (reference numeral 12 of JP-U-S61 29 596) is incorporated in a housing (reference number 13 of JP-U-S61 29 596).
  • the webs represent mechanical springs which, upon excitation of the piezoelectric vibrating element (reference numeral 12 of JP-U-S61 29 596) with the mass of the oscillating system consisting of mounting element ( Reference numeral 11 of JP-U-S61 29 596) and piezoelectric vibrating element (reference numeral 12 of JP-U-S61 29 596) form a resonant vibration system.
  • the system is protected by a perforated cover plate with sound passage openings (reference numeral 10 of JP-U-S61 29 596) mechanically against the ingress of foreign bodies.
  • This system has the advantage that by means of a larger piezoelectric oscillating body (reference number 12 of JP-U-S61 29 596) very high sound power levels can be radiated.
  • this system has only one main resonance frequency and is therefore not suitable for the purpose according to the invention alone.
  • JP-U-S60 111 199 A similar system is known from JP-U-S60 111 199.
  • the mounting element reference numeral 3-2 of JP-U-S60 111 199
  • the mounting element here forms a homogeneous rotationally symmetrical surface and, as in the case of JP-U-S61 29 596, has only one
  • M EMS oscillator From US-A-2010/006 011 an M EMS oscillator is known, which can have a plurality of resonant frequencies by means of breakthroughs. (Fig. 4 and Section [0064] of US-A-2010/006 011) It is known that such M EMS oscillators currently do not achieve sufficient sound radiation performance, for example, an ultrasonic measuring device for use in a parking aid for a motor vehicle to build up. In addition, such M EMS devices are too expensive over the two previous Japanese designs. For this cost aspect, it is also necessary to avoid transducers between the piezoelectric vibrating element and the driving circuit, as known for example from JP H03-182 200 A. Such a direct control, however, leads to ESD problems if the design is unsuitable.
  • the invention relates to an ultrasonic transducer TR with at least one piezoelectric oscillating element 2.
  • the special feature of this ultrasonic transducer is that it has a housing 1 which is at least partially electrically conductive, and that the housing 1 via an electrically conductive, in particular metallic, housing bottom la and at least one at least partially electrically conductive, in particular metallic, housing wall lc has.
  • the decisive difference from the prior art is that the housing 1 is electrically insulated from the at least one piezoelectric oscillating element 2.
  • the housing 1 can be earthed separately and in the case of an ESD event, the energy of the ESD pulse can no longer pass through the oscillating element 2 to the inputs and outputs DRV1, DRV2, AING, AINS the drive circuit.
  • a typical feature of the ultrasonic transducer is characterized in that the housing 1 of the ultrasonic transducer with at least one electrically insulating and acoustically suitable damping casting or
  • Filling compound 12 filled, in particular poured, is. This is particularly advantageous in order to ensure the mechanical integrity of the ultrasonic transducer TR over its lifetime and to allow a rapid swinging of the housing. It has been found to be particularly advantageous if the housing 1 is filled, in particular molded, with an electrically insulating and acoustically damping casting or filling compound 12 which reduces the oscillation amplitude of the piezoelectric oscillation element 2 of the ultrasonic transducer per oscillation period by more than 0.05 % or more than 0.1% or more than 0.2% or more than 0.5% or more than 1% or more than 2% or more than 5% or more than 10%.
  • acoustically damping means that this material dampens the vibrations in such a way that the amplitude is lower after passage of the acoustic wave through the relevant acoustically damping material.
  • the potting compound is therefore designed usually dampening, so that the radiation is minimized in the sensor housing itself.
  • the adhesive should have a low level of acoustic damping so that the sound power and acoustic sensitivity of a device according to the invention are as equal as possible to those of the prior art.
  • the at least one piezoelectric oscillating element 2 is mechanically fastened to the housing bottom 1b by means of at least one electrically insulating adhesive 3 in the electrically conductive housing 1.
  • at least one electrically insulating adhesive 3 in the electrically conductive housing 1.
  • other attachment methods are conceivable. However, it has been shown that this method of attachment is the most advantageous.
  • the resulting advantage in contrast to the prior art is that the at least one piezoelectric vibrating element 2 is electrically isolated from this housing 1 and thus the said ESD events no longer reach the terminals DRV1, DRV2, AING, AINS of the drive circuit US ctr can.
  • the at least one piezoelectric vibrating element 2 of the ultrasonic transducer TR has at least one first electrical contact 2a and at least one second electrical contact 2b, wherein at least these two contacts 2a, 2b of the at least one piezoelectric vibrating element 2 from the housing 1 and / or are electrically isolated from an electrical connection 7 of the housing 1. If there are other contacts, they should not reduce the isolation of the drive circuit US ct r compared to ESD events.
  • At least one first contact 2a is located on a first surface of the oscillating element 2 and / or at least one second contact 2b on one of the first surface of the vibrating element 2 opposite, the second surface of the vibrating element.
  • the isolation of the at least one piezoelectric vibrating element 2 from the housing 1 now creates the problem of electrical contacting of the at least one piezoelectric vibrating element 2, which was previously done in the prior art from the back by means of an electrically conductive adhesive 8 and now is no longer possible, please include , In fact, it is also an object of the invention not to have to modify the components of the prior art.
  • This contacting problem is solved by at least one electrically conductive mounting element, for example a mounting ring 6, on which the at least one piezoelectric oscillating element 2 is mechanically fixed to at least one second contact 2b.
  • This second contact 2b of the at least one piezoelectric oscillating element 2 is thus electrically and mechanically connected to at least one electrically conductive and / or semi-conductive mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, in particular an electrically conductive mounting ring 6, wherein the electrical connection, for example D at least one electrically conductive adhesive and / or soldering and / or welding is done or can be done.
  • the inventive vibration system consists in the first line ie from a mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j as a vibrating body and at least one vibrating ung this oscillating body driving piezoelectric Oscillating element 2 per mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j. It is typically intended for use in an ultrasonic transducer TR for use in a motor vehicle.
  • the piezoelectric oscillating element 2 of the oscillating system is mechanically connected to the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j.
  • the mechanical Connectivity ung between piezo ⁇ electric oscillating element 2 of the vibration system and the Montageele ⁇ ment 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j d urch a bonding by an adhesive and / or soldering and / or welding made.
  • the oscillating system is typically mechanically connected by means of an elastic adhesive 3 to a housing 1, 1a, 1c of an ultrasonic transducer TR.
  • elastic means that the amount of the E modulus of the adhesive is less than the amount of the E modulus of the piezoelectric vibrating element and the magnitude of the modulus of the housing bottom la of the housing.
  • Other mounting methods such as welding, soldering and pressing in and other known connection forms are conceivable.
  • the mechanical connection between the oscillating system, consisting of the vibrating element 2 and the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j in the region of the vibrating element 2 is such that the shortest connecting line from the heavy ⁇ point of the piezoelectric vibrating element 2 to the housing 1, 1a, lc, in which the vibration system is to be mounted, the elastic adhesive 3 cuts. Without this elasticity of the adhesive, the system would not be able to oscillate.
  • the adhesive in this case has losses in the form of a scarf attenuation, which are preferably designed so that the vibration system such as sound radiation and adhesive damping asymptotically quick swinging l when the vibrating element is no longer operated.
  • the adhesive and its positioning affordhal b of the oscillation element are therefore critical to a g ood Emp ⁇ scavenging performance to be able to detect a sound reflection good even at short intervals.
  • the inventive vibration system of the ultrasonic transducer consisting of mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and piezoelectric vibrating element 2 is characterized in contrast to the prior art dad urch that when driving the piezoelectric vibrating element 2 through a drive circuit US ctr at least two or more mechanical resonance frequencies, a first Resonanzfreq uenz and a second Resonanzfreq uenz and, where appropriate, further Resonanzfre ⁇ q uenzen, can be excited, which are different from each other.
  • At least one of these resonance frequencies is different from the three eigenfrequencies of the piezoelectric oscillating element 2 and the frequencies of the corresponding harmonics.
  • these frequencies relate to the natural frequencies of the piezoelectric oscillating element without mounted mounting element.
  • the basic idea of the invention is therefore to excite natural oscillations of a mounting element with a relatively large oscillatory element.
  • the structure of the mounting element is appro net mod modifies.
  • the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j typically has at least one opening 9,9b, 9c, 9d and / or recess and / or recess, which made several eigenmodes of the mounting element light.
  • a recess may also be an off ⁇ or indentation of the edge of the mounting element.
  • the frequency ratio of the amount of the second resonant frequency divided by the amount of the first resonant frequency then depends on a diameter and / or the position of this opening 9, 9b, 9c, 9d and / or indentation and / or indentation and / or Recess and / or depression on the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j from.
  • a refined embodiment of a device according to the invention is characterized in that the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j has at least one m orifice of openings 10 on a surface of the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and / or depressions on a surface of the mounting elements ⁇ 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and / or protrusions 10b on a surface of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j which, when translationally displaced along a surface of the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, is at least a first distance ni * al and / or a second distance rrii * a 2 , where ni and rru are integers , at least partly is again mapped to itself, so in particular a one- or two-dimensional grid on a surface of the mounting member 6,
  • the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j at least one pattern of openings 10 on a surface of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and / or depressions on a surface of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and / or elevations 10b on a surface of the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j which, when rotationally displaced about an axis of symmetry along a surface of the mounting element - Mentes 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j by at least a first angle ⁇ 3 * ⁇ , where n 3 is an integer, at least partially imaged again on itself.
  • the frequency ratio of the magnitude of the second resonance frequency divided by the magnitude of the first resonance frequency now depends on the first angle $ i.
  • the vibrating system of the ultrasonic transducer typically has at least two mutually different grades or resonance bandwidths, a first quality or first resonance bandwidth at the first resonant frequency on one side and a second quality or second resonant bandwidth at the second Resonant frequency on the other side, has.
  • This can be achieved, for example, by suitable arrangement of splices between the mounting element and the housing.
  • the ultrasonic transducer may have two or more distinct radiation characteristics, a first radiation characteristic at the first resonance frequency, and a second radiation characteristic at the second resonance frequency.
  • the mounting member is provided with acoustic stubs preferably each represents a resonator for the desired Resonanzfre ⁇ q uence for itself.
  • acoustic stubs preferably each represents a resonator for the desired Resonanzfre ⁇ q uence for itself.
  • the invent ung thus is the centroid of the surface of the mounting member 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j compared to the centroid a first or second surface of the piezoelectric vibrating element 2 is arranged offset.
  • the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j is quite preferable for the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j to be provided with at least one opening 9, 9b, 9c, 9d and / or recess and / or depression under the bender element 2 in order to adapt the flexural rigidity of the mounting element.
  • This has the purpose of adjusting the acoustic impedance of the mounting element as an acoustic sound conduction in the region of the vibrating element to the acoustic impedance of the vibrating element and is thus not known in this function from the literature. It is thus the function of this opening to improve the energy injection from the piezoelectric vibrating element into the mounting element.
  • the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j said grid on.
  • the grid structure is hexagonal or square. The lattice symmetry thus preferably four or sixteen.
  • an acoustic stub, at least a measure of length, the integer iges (k-fold) multiple of the middle scarf wavelength ⁇ ) ⁇ mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j divided by four is k * / 4 )
  • a wesentl IES element of such an acoustic mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j may be that there is an acoustic branch line, z. B. as acoustic stub, having.
  • Such a stub can end freely in the room or be fixed by an appro Neten adhesive at the end.
  • This acoustic finish can be adapted by the choice of adhesive and the processing of the gluing process.
  • Hierd urch for example, ⁇ / 2 and ⁇ / 4 resonators can be generated.
  • the housing can also be patterned geeig net.
  • the ultrasound transducer TR at least have a further structure in the housing bottom, which has a pattern of recesses 17 and / or elevations 17 and / or openings, the translational displacement along a surface of the housing bottom lb by at least a first distance n 2 * a 3 and / or a second distance m 2 * a 4 , where n 2 and m 2 are integers, at least partially imaged on themselves again, ie in particular forms a one- or two- or three-dimensional grid.
  • a circuit for controlling a vibrating system which has a drive circuit USctr at least as a subcircuit, wherein the drive circuit US ctr via a first electrical line DRVl and a second electrical line DRV2 directly and above all without transformer with the piezoelectric vibrating element 2 of the vibrating system electrically connected.
  • the drive circuit US ctr can apply an electrical voltage- modulated transmission signal having a transmission frequency via the first line DRV1 and the second line DRV2 to the piezoelectric vibration element 2 of the vibration system.
  • the drive circuit US ct r comprises at least one first inverter consisting of at least one first transistor Tl, which is driven by a first transmission signal Oi a , and at least one second transistor T3, which is driven with a complementary first transmission signal Oi b .
  • the first inverter drives the second line DRV2 for direct transferless differential activation of the piezoelectric oscillating element 2.
  • the drive circuit US ct r comprises at least one second inverter consisting of at least one second transistor T2, which in particular has a second transmission signal 0 2a to the first transmission signal Oi a , is driven, and at least one fourth transistor T4, which is controlled with a complementary second transmission signal 0 2b , which may in particular be opposite to the complementary first transmission signal Oi b .
  • the second inverter drives the first line DRV1 for the direct transferless differential activation of the piezoelectric oscillating element 2.
  • the drive circuit US ct r typically switches the sensor during reception. design Oia ⁇ ib ⁇ a ⁇ b and thus the transistors T1, T2, T3, T4 at least temporarily.
  • the drive circuit US ctr can generate at least a first transmission frequency, with which the voltage difference between the first line DRV1 and the second line DRV2 is modulated and which excites the first resonant frequency of the oscillating system.
  • the control circuit US ctr may preferably generate at least one second transmission frequency, possibly also simultaneously with the first transmission frequency, with which the voltage difference between the first line DRV1 and the second line DRV2 is modulated and which excites the second resonant frequency of the oscillating system.
  • the ultrasonic transducer according to the invention can thus by a suitable choice and design of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j not only one, but two or three or more resonance frequencies, in particular a first resonant frequency and a second resonant frequency and optionally have a third resonant frequency and optionally further resonant frequencies that are different from each other.
  • the mounting elements 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j and the construction technique with bonds 3, b are designed so that the quality of each resonant oscillation at each resonant frequency satisfies its own frequency-specific requirements.
  • the ultrasonic transducer according to the invention therefore has at least two mutually different grades or resonance bandwidths, a first quality or first resonance bandwidth at a first resonance frequency on the one side and a second quality or second resonance bandwidth at a second resonance frequency on the other side. These represent a means of being able to switch the emission characteristics by means of frequency-specific excitations by a control circuit US ctr during operation, depending on the measurement task involved, without a design change by simple frequency switching.
  • the ultrasound transducer TR according to the invention therefore has at least two mutually different emission characteristics, a first emission characteristic at a first resonance frequency and a second emission characteristic at a second resonance frequency, on.
  • the shape of the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j from that of the piezoelectric vibrating element 2 from ⁇ softened is useful if the shape of the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j from that of the piezoelectric vibrating element 2 from ⁇ softened.
  • This form, in particular the outer Knew at least one mounting ⁇ elements 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j can be selected relatively freely, but always has influence on acoustic characteristics of the d ie U ltraschall transducer TR.
  • the Schallabstrahlachse 11 of the ultrasonic transducer TR also not parallel to a housing axis 13 and / or a Symmetrie ⁇ axis of the housing lc and / or the housing walls lc and / or to a Flä ⁇ chennormale an inner or outer surface of the housing bottom lb of Be housing 1.
  • What applies to the scarf labstrahlachse 11, can also for the surface normal 14, 15 of a surface of the piezoelectric vibrating element 2 can be achieved.
  • This element too can not be arranged parallel to a housing axis 13 and / or an axis of symmetry of the housing 1c and / or the housing walls 1c and / or to a surface normal of an inner or outer surface of the housing base 1b of the housing 1.
  • the housing 1 of the ultrasonic transducer is cup-shaped.
  • the height h of adhesive 3 and optional mounting element ⁇ or optional mounting ring 6 and vibrating element 2 is smaller than the height h G of the housing first
  • the distance d between the first surface of the vibrating element 2 and the upper edge of the cup-shaped casing is typically 1 g greater than the height h.
  • the mounting elements 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j can be designed relatively freely.
  • a particularly simple and experience preferably form is that of an electrically conductive sheet metal ring.
  • 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j for erfind ungswashen ultrasonic transducer TR with inventive vibration system at least one opening 9,9b, 9c, 9d and / or the recess and / or recess on which the mechanical properties of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j at a Stel le of the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j.
  • Hierd hrough may mean that E-Mod ul be changed locally at play as ⁇ . In this case, the middle takes place over the opening.
  • a mounting element 6, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e, 6 i, 6 j may be single or even a plurality of openings 9, 9b, 9c, 9d, 10, 20 and / or individual ne or else a plurality of recesses and / or individual or also have several depressions.
  • Single ne or more openings 9,9b, 9c, 9d, 10,20 may be completely or even partially under the piezoelectric vibrating element 2 angeord net.
  • Single ne or more openings 9,9b, 9c, 9d, 10,20 may be completely over or even partially over the electrically insulating adhesive 3 angeord net.
  • Single ne or more openings 9,9b, 9c, 9d, 10,20 can completely or even partially in an area of an overhang 6g, L of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, the later closer will be explained angeord net.
  • Single ne or more openings 9,9b, 9c, 9d, 10,20 may be, for example, cylindrical openings or slots or openings of other shape in the respective mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j.
  • a mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j instead of the single nen or even more openings or single nen or even more recesses and / or single nen or even more recesses or at the same time with d iesen, in the reverse manner also single ne or even several increases.
  • These single nen or even more increases for example, single or even more projecting Zyl indians or single or multiple grooves or single ne or even more protuberances purged other form on the respective mounting element on the upper or lower surface (side) of the respective mounting element be .
  • some of these single or multiple openings may be arranged in a two- or one-dimensional grid with a unit cell.
  • the arrangement of the structures is repeated - eg. B. openings and elevations - the unit cell when moving along a surface of the respective mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j by at least one grid vector in at least one grid direction.
  • a particular expression of a mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j according to the invention therefore has at least one m uster - the said unit cell - of openings 10 and / or elevations 10b which, when translationally displaced along a surface of the said mounting member by at least a first distance ni * ai and / or a second distance rrii * a 2 , where ni and rru are integers, at least partially mapped again to self, that is in particular a one- or two- or three-dimensional Grid forms.
  • Particularly suitable m utes can be generated by means of the arrangement in a qadratician hexagonal lattice. In this case, the lattice structure of the two-dimensional lattice is hexagonal or qadratical. The lattice symmetry is then four or sixteen. Of course, rectangular and / or rhombic grids are also conceivable.
  • a manifestation of the ultrasonic transducer according to the invention is therefore distinguished, inter alia, by the fact that the ultrasound transducer has at least one further structure in the housing bottom, ie the recess of the recesses 17 in a similar manner to the mounting element and / or elevations 17 and / or openings-the said unit cell-which, when translated, extend by at least a first distance n 2 * a 3 and / or a second distance m 2 * a 4 , where n 2 and m 2 are integers are at least partially mapped again on itself, so in particular forms a one- or two- or three-dimensional grid.
  • the three-dimensionality can be achieved in that at least the housing bottom is laminated together from several layers with a respective two-dimensional grid.
  • this methodology also makes possible an optimization in terms of the fact that the transducer TR can have more than one resonance frequency and can have a different quality.
  • a drive circuit US ct r is no longer so frequency-selective, a user can realize the intention in the structures of the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j or in the housing base 1b, a resonance at a first frequency Goodness of the resonance and thus to achieve a greater frequency bandwidth of the sensor, in particular the settling time after the transmission of the transmit pulse and thus the "dead" area in which a based on the ultrasonic transducer distance sensor, for example, a parking sensor of a motor vehicle due
  • a based on the ultrasonic transducer distance sensor for example, a parking sensor of a motor vehicle due
  • one can not perceive any obstacles to minimizing this own decay and to achieve a better resonance at a different, second frequency in order to achieve a better range due to the longer transmission pulse.
  • the drive circuit US ctr can be designed such that it uses a transmission signal on the first line DRV1 and the second line DRV2 depending on the measurement task just desired, for example a distance measurement in the near range with a short settling time, which has a first transmission signal frequency has, which leads to a resonance of the ultrasonic transducer TR in a first resonant frequency of the ultrasonic transducer TR with a first quality and a first emission characteristic, and for a second measurement task, for example, a distance measurement in the long range with long decay time, a transmission signal the first line DRVl and the second line DRV2 having a second transmit signal frequency resulting in a resonance of the ultrasound transducer TR at a second resonant frequency of the ultrasound transducer TR with a second quality and a second radiation characteristic leads.
  • a transmission signal on the first line DRV1 and the second line DRV2 depending on the measurement task just desired, for example a distance measurement in the near range with a short settling
  • This circuit for controlling an ultrasonic transducer TR with an inventive vibration element comprises at least one piezoelectric vibrating element 2 of the ultrasonic transducer TR and the drive circuit DRV This in turn includes as part of the circuit at least a first inverter consisting of at least a first transistor Tl and at least one second transistor T3.
  • the first transistor Tl is driven by a first transmission signal Oi a .
  • the second transistor T3 is driven with a complementary first transmission signal Oi b .
  • These transistors T1, T3 drive a second line DRV2 for direct differential driving of the piezoelectric oscillating element 2.
  • the circuit comprises at least one second inverter consisting of at least one second transistor T2, which in particular has a second transmission signal o 2a for the first transmission signal Oi a may be, is controlled at ⁇ .
  • the circuit comprises at least a fourth transistor T4, which is driven with a complementary second transmission signal 0 2b, which may be in particular opposite direction to the complementary first transmission signal from Oi.
  • the two transistors T2, T4 drive a first conduit DRV1 to d irekten differentially len driving the piezoelectric vibrating member would 2.
  • At least one piezoelectric oscillating element 2 is preferably mounted in a Faraday cage, a housing 1, which is designed to be at least be ⁇ cherförmig.
  • This housing 1 is preferably of the first line DRV1 and the second Line DRV2 and the piezoelectric vibrating element 2 electrically isolated and d by a connection ESD_GN D on a relation to the other parts of the circuit defined potential, preferably an ESD ground, laid.
  • the housing 1 of the ultrasonic transducer TR with a low clamping ⁇ Vietnamese spatulsq uelle or with a capacity for example, against signal ground or connected to the connection to a supply voltage line or a ground connection as ESD earth.
  • a piezoelectric vibrating element 2 may oscillation, it is advantageous when the respective piezoelectric vibrating element 2 isolated from the ESD earth ung via two lines DRV1, DRV2 can be controlled, and an appropriate drive signal in oltage between these two Lei ⁇ obligations DRV2 DRV1 is applied, which has at least one Flan ke and / or polarity change, preferably in digital form. In the case of such a piezoelectric vibrating element 2 with a digital signal can be excited.
  • the invention also comprises a method for the manufacture of such a U ltraschal l transducer TR.
  • Al lerd ings also at least one piezoelectric vibrating element 2 with at least one mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j are first connected and then inserted into the housing 1.
  • the associated method then comprises the steps:
  • At least one electrically insulating adhesive 3, 3b into the housing 1, mechanically and electrically connecting at least one vibrating element 2, which has at least one first electrical contact 2a and at least one second contact 2b, by means of at least one second contact 2b with at least one electrically conductive mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j, in particular the mounting ring 6,
  • At least one intermediate space between at least one overhang 6g of at least one mounting element 6e and the housing bottom 1b can also be filled with at least one special mass 18. This usually happens before the introduction of the relevant mounting element 6e in the housing 1. The mass may also be injected after this introduction, if necessary, through openings 17,10 in the space in question. Both basic variants of the process described above can therefore be around the step
  • the housing 1 can also be cast with at least one potting compound 12.
  • other fillers can be introduced. Both basic variants of the process described above can therefore be around the step
  • the oscillating system has a mounting element 6e as a vibrating body and a piezoelectric oscillating element 2 per mounting element 6e driving the oscillation of this vibrating body. It is intended for use in an ultrasonic transducer TR.
  • the vibrating element 2 is mechanically connected to the mounting element 6e by gluing by means of an adhesive.
  • the oscillating system, consisting of the mounting element 6e and the vibrating element 2 is mechanically connected by means of an elastic adhesive 3 to a housing 1,1a, lc of an ultrasonic transducer TR.
  • the shortest connecting line L from the center of gravity of the Oscillating element 2 to the housing 1 intersects the elastic adhesive 3.
  • the vibration system of the mounting element 6e and vibrating element 2 upon actuation of the vibrating element 2 by a drive circuit at least two or more mechanical resonance frequencies, which are different from each other, wherein at least one of these resonant frequencies is different from the three eigenfreq frequencies of the piezoelectric vibrating element 2 known from the prior art and the frequencies of the respective harmonics.
  • the Eigenfreq uenzen refer to such natural frequencies of the vibrating element 2 without anmontêtêts mounting member 6e.
  • the mounting member 6e has at least one opening 9b and / or recess and / or recess and / or protuberance.
  • a protuberance can be, for example, an acoustic stub line 10, which in turn can be acoustically switched off or short-circuited by another adhesion 3b.
  • the frequency ratio of the amount of the second resonance frequency divided by the amount of the first resonant frequency depends on a diameter or the position of the opening 9b and / or recess and / or recess and / or the length of the protuberance 10 on the mounting element 6e from.
  • the inventive vibration system has a mounting element 6k and a vibrating element 2c. The vibrating element 2c is glued to the mounting member 6k.
  • the mounting element 6k has a lattice-shaped m uster of ⁇ ffnu 10 on a surface of the Montageele ⁇ element 6k to adjust these resonance frequencies.
  • the frequency ratio of the amount of the second depends on this Resonant frequency divided by the amount of the first resonant frequency of the lattice constant ai.
  • the oscillating system has a mounting element 6e and a vibrating element.
  • the vibrating element is glued to the mounting member 6j.
  • This in turn is glued into the housing of an ultrasonic transducer TR by means of an adhesive 3c, 3d, wherein the shortest connecting line from the center of gravity of the vibrating element to the housing intersects the elastic adhesive 3c.
  • the oscillating system has at least two or more mechanical resonance frequencies, which are different from one another, when the oscillating element is electrically actuated. These resonance frequencies are different from the natural frequencies of the vibrating element without mounted mounting member.
  • This has mounting element 6j has to adjust these resonant frequencies on a rotationally symmetric, periodic pattern of openings 20 on a surface of the mounting member 6j.
  • the frequency ratio of the magnitude of the second resonance frequency divided by the magnitude of the first resonance frequency depends on the lattice constant $ i of the rotational symmetry.
  • Fig. 1 shows a drive circuit with a transformer for an ultrasound transducer according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer according to the prior art.
  • Fig. 3 shows a simplified cross section through a sensor module according to the prior art.
  • Fig. 4 shows a drive circuit without a transmitter for an ultrasonic transducer according to the prior art.
  • Fig. 5 shows a driver stage of the drive circuit.
  • FIG. 6 shows a simplified cross section through an ultrasound transducer with a vibration system according to the invention.
  • FIG. 7 shows a simplified cross section through an ultrasonic transducer transducer with a vibrating system according to the invention, which is cast.
  • Fig. 8 shows a drive circuit according to the invention without a Questiontra ⁇ ger for an ultrasonic transducer with inventive vibration system.
  • FIG. 9 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer with a vibration system according to the invention with a housing axis of symmetry.
  • FIG. 10 shows a simplified cross section through an ultrasonic transducer with a vibration system according to the invention and with a housing symmetry axis which is cast.
  • 11 shows a simplified cross section through an ultrasound transducer with a vibration system according to the invention and with a housing symmetry axis, wherein the piezoelectric vibration element is tilted.
  • 12 shows a simplified cross section through a molded
  • Ultrasonic transducer with inventive oscillation system and with housing axis of symmetry , wherein the piezoelectric oscillating ⁇ element is tilted. shows a simplified Querschn itt by an ultrasonic Trans ducer with inventive vibration system, wherein the mounting member protrudes on one side and the opening in the mounting element is asymmetrical and reduced.
  • FIG. 7 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer with inventive vibration system, wherein the mounting element protrudes on one side and the opening in the mounting element is asymmetrical and reduced and wherein the piezoelectric oscillating element is tilted.
  • Fig. 18a shows an exemplary mounting element in which only the opening is reduced in size and asymmetrical in plan view.
  • FIG. 18b shows an exemplary elliptical mounting element with a reduced asymmetrically placed opening and an overhang with a two-dimensional hole grid (two-dimensional crystal) in plan view.
  • FIG. 19 shows an exemplary round mounting element with a double-sided overhang and two exemplary areas with an exemplary two-dimensional perforated grid in plan view.
  • FIG. 20 shows an exemplary round mounting element with a overhanging overhang and four exemplary openings 20 in the region of this overhang in plan view.
  • 21 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer with an oscillating system according to the invention, the mounting element projecting on one side and the overhang resting on adhesive on both sides and with a perforated grid in the region of the overhang.
  • Ultrasonic transducer with oscillating system in which the mounting element protrudes on one side and the overhang rests on both sides on adhesive and wherein there is a perforated grid in the area of the overhang.
  • FIG. 23 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer with the oscillating system according to the invention, the mounting element projecting on one side and the overhang resting on adhesive on both sides and with a perforated grid in the region of the overhang. finds and below the overhang in the case bottom is an insert element.
  • Fig. 24 shows a simplified cross-section through a potted
  • Ultrasonic transducer with oscillating system according to the invention, the mounting element projecting on one side and the overhang rests on adhesive on both sides and wherein there is a perforated grid in the region of the overhang and structural elements (here blind holes) are located below the overhang in the housing bottom.
  • Fig. 25 shows a simplified cross-section through an ultrasonic transducer with a vibration system according to the invention, wherein the mounting element protrudes on one side and the overhang rests on both sides on adhesive and wherein there is a grid of elevations in the region of the overhang.
  • Fig. 26 shows an extension of FIG. 19 by two acoustic stub lines SL1 and SL2 for generating at least two further resonance frequencies.
  • Fig. 5 shows a typical driver circuit DRV for driving the first line DRV1 and the second line DRV2.
  • the driver circuit DRV is supplied with electrical energy by a supply voltage VDRV, which is typically generated within the drive circuit US ctr from the external supply (VSUP_LINE, FIG. 4).
  • a first transistor Tl which is typically a p-channel MOS transistor is driven with a first signal Oi a and pulls the first conduit DRVl, which is typically connected to the first contact 2a of the piezoelectric resonant element 2, on a positive potential when the first transistor Tl turns on.
  • a third transistor T3, which is typically an n-channel MOS transistor is driven with a first complementary Sig nal Oi b and pulls the first Lei ⁇ tung DRV1, to a ground potential when the transistor turns on the steps d T3.
  • a not shown clamping circuit prevents simultaneous Power On ⁇ th of the first and rode d transistor T1, T3. During reception, the first and third transistors T1, T3 are turned off.
  • a second transistor T2 which is typically a p-channel MOS transistor, is driven with a second signal ⁇ D 2a and attracts the second line DRV2, which is typically connected to the second contact 2b of the piezoelectric oscillating element 2 on positive potential when the second transistor T2 turns on.
  • a fourth transistor T4 which is typically an n-channel MOS transistor, is driven by a second complementary signal O 2b and pulls the second line DRV2 to a ground potential when the fourth transistor T4 turns on.
  • An unshown blocking circuit prevents the simultaneous switching on of the second and fourth transistor T2, T3.
  • the second and fourth transistors T2, T4 are also turned off.
  • the first and second to-Sig nal are complementary to each other, so that the level of the alternating voltage between the first and second lines in about twice the level of the INPUT FEED is ungs ⁇ voltage VDRV.
  • the circuit DRV then has a high-resistance output resistance at its outputs DRV1, DRV2.
  • the device with an oscillating system provides electrical insulation of the piezoelectric oscillating element 2 with respect to the housing 1. This is shown in FIG. 6 shown.
  • An electrical contact of the second contact 2 b of the piezoelectric vibrating element 2 must still be possible, please include.
  • Fig. 6 shows the speaking solution schematically.
  • a mounting member 6 is additionally introduced into the Ultraschallt transducer TR. This is preferably at least partially electrically conductive, so that the piezoelectric vibrating element 2 can be mechanically connected to it in an electrically conductive manner. The electrical connection takes place via the second contact 2b of the piezoelectric vibrating element 2.
  • the electrically conductive mechanical connection between the second contact 2b of the piezoelectric oscillating element 2 and the mounting element 6 can be produced, for example, by electrically conductive bonding and / or by soldering and / or welding.
  • the mounting member 6 is electrically connected to the second electrical lead 5, which can now be electrically connected instead of the housing 1 with the second line DRV2.
  • the piezoelectric vibrating element 2 and the mounting element 6 are fixed by an electrically insulating adhesive 3 in the housing 1 typically on the housing bottom lb.
  • the housing 1 itself is connected via a special electrical connection 7 of the housing 1, which is connected to a special ESD ground ESD_GND.
  • ESD_GND ESD ground connection
  • the diameter L G of the typically round housing 1 is an integer multiple (n times) of the wavelength of the sound in air X L. This results in a certain directivity of the radiated sound of the ultrasonic transducer TR.
  • the Schallabstrahlraum 11 is indicated here by the reference numeral 11.
  • the mounting member 6 has a symmetrical opening 9, ie he is here geyogl example of electrically insulating adhesive 3 lt.
  • the mounting element 6 is more likely to be a mounting ring 6. Its external edge in this example has a wheel which was larger than the wheel in the outer surface 2c of the piezoelectric oscillating element 2.
  • the wheel ius the outer edge of the mounting member g is greater than the wheel ius of the circle of the adhesive edge 3c. That is, the mounting ring 6 in this example protrudes a little beyond the piezoelectric vibrating element 2 and the adhesive edge 3c.
  • the mounting ring or mounting element 6 alters the rocking properties of the piezoelectric rocker element 2.
  • An important claimed side effect of the inventive construction is therefore that by suitable shaping of the mounting element 6 and suitable mounting of the pact of piezoelectric rocker element 2 and mounting element 6, so the vibrating system, the vibrational ungs- and Abstrahleigenschaf ⁇ th of the ultrasonic transducer TR can be modulated specifically mod.
  • This is particularly deshal b advantageous because only the shape of the Montageele ⁇ element 6 must be adjusted, while al le other components of the ultrasonic transducer TR can be left in their construction.
  • the mounting element 6 is produced, for example, by photolithographic etching and / or laser cutting, then it is possible to inexpensively produce even the smallest quantities of special ultrasonic transducers TR, without the housing 1 or the outer crystal form of the piezoelectric vibration element 2 changing must become.
  • the housing 1 is then clamped with the indicated notches in a Garru ng.
  • the brackets are then typically used as a bearing that allow a rotatory vibrationsg wheel you thus allow the Torsionsschwing ung the housing 1 by d his this typically annular axis. In many cases, it makes sense if the housing 1 with a potting compound
  • This potting compound 12 is shown by way of example in FIG. The selection and consistency of this potting compound should be based on the requirements of the respective task. For this purpose, FEM simulations of the ultrasound transducer should be performed during the design phase.
  • FIGS. 9 and 10 also show a housing axis 13.
  • the housing axis 13 it is also possible to use a surface normal of the housing bottom 1b with respect to the uses of this housing axis 13 mentioned below, if this is flat.
  • the tilt angle ⁇ in one embodiment refers to the angle between a parallel 16 to the housing axis 13 and a normal 14 to a first surface of the piezoelectric vibrating element 2.
  • the first surface of the piezoelectric vibrating element 2 is intended to be the surface thereof carries the first electrical contact 2a.
  • the normal 14 to a first surface of the piezoelectric vibrating element 2 the normal to a second surface of the piezoelectric vibrating element 2 may be used.
  • the second surface of the piezoelectric vibrating element 2 is intended to be the surface thereof carrying the second electrical contact 2b.
  • FIG. 12 shows the device from FIG. 11 with a filling compound 12.
  • FIG. 13 shows the ultrasound transducer TR of FIG. 9 with a modified mounting element 6b.
  • This has a non-centric opening 9b, which is also smaller than the opening 9 of FIG. 9 here.
  • the shape of the mounting element 6b leads to an overhang 6g resting on one side, which protrudes further beyond the adhesive edge 3c than in the case of FIG.
  • the asymmetry of the position of the opening 9b, their size and the unilaterally auflie ⁇ ing overhang 6g lead to a change in the vibration characteristics of the ultrasonic transducer TR and distortion of the Schallfel- that is generated by this when sending.
  • FIG. 14 again shows FIG. 13 with a suitable filling 12.
  • FIG. 15 shows the combination of the tilting with the asymmetry of the mounting element 6b and FIG. 16 with a filling 12.
  • the Fign. 17 to 20 illustrate some exemplary mounting members 6,6b, 6c, 6d, 6i, 6j in the plan view of a rotationally symmetrical piezoelectric ⁇ ULTRASONIC vibrating element 2.
  • Fig. 17a shows the mounting element 6 of FIGS. 9, 10, 11, 12 in the supervision.
  • the later position of the adhesive 3c and the subsequent position of the outer edge of the piezoelectric oscillating element are marked by way of example.
  • the mounting member 6 has the opening 9 already described ung. It is therefore a mounting ring.
  • Fig. 17b shows the mounting element 6b of FIGS. 13, 14, 15, 16 in the supervision.
  • the later position of the adhesive 3c and the subsequent position of the outer edge of the piezoelectric oscillating element are marked by way of example.
  • the mounting element 6b has the already described, reduced and asymmetrically located circular opening 9b.
  • the asymmetric mounting of the piezoelectric oscillating element 2 is also provided here, the position of which is indicated here by its outer edge 2c.
  • the adhesive 3c should be asymmetric.
  • the adhesive 3c is arranged symmetrically with respect to the outside 2c of the piezoelectric vibrating element 2. Although this is advantageous, but not mandatory. There may be applications in which another asymmetry is meaningful. It is therefore an asymmetric mounting ring.
  • Fig. 17a shows an example mounting ring 6c, which is to be mounted without overhang 6g, or the Ühanghang is only very small.
  • the adhesive 3c and the outer surfaces 2c of the piezoelectric vibrating element 2 should be disposed symmetrically to the outside of the mounting member 6c in this example.
  • Ledigl I the opening 9c is arranged asymmetrically.
  • Fig. 17b shows another exemplary mounting element 6d with an elliptical outer edge.
  • the opening 9d is reduced in size and arranged acentrically.
  • the envisaged layers of adhesive 3c and the outer edge 2c of the Piezoelectric vibrating element 2 are ebenfal ls acentric and asymmetrical to the opening 9d angeord net.
  • the region of the unilateral overhang 6g is additionally provided with a grid of openings 10.
  • a two-dimensional lattice (a two-dimensional crystal I) which alters the average mechanical properties of the mounting element 6d, such as the central E modul in this region.
  • H ierd urch may be the the sound and / or oscillating surface ungsausbreitung determining Eigenschaftsverteil ung of the mounting member 6d d urch simp ⁇ che mechanical structuring be locally mod ified.
  • the two-dimensional grid has a first grid constant ai and a second grid constant a 2 .
  • the elementary cell for simplified representation is a single opening 10.
  • the openings 10 may be, for example, cylindrical openings or slots or openings of another shape in the respective mounting element 6d.
  • blind holes, notches or other depressions from the upper or lower surface (side) of the mounting element 6, 6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j. Instead of such bulges but also the reverse Fal l is conceivable.
  • the elevations of the mounting member 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j for example, projecting Zyl indians or grooves or Ausstül purged other form on the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j at the upper or lower Surface (side) of the Mont ⁇ ageements 6,6b, 6c, 6d, 6e, 6i, 6j be.
  • the grid lines are straight. Instead, it is also conceivable that the grid lines lie on curved lines. In the- However, at least one lattice constant is typically not con ⁇ stant, which makes the calculation of the mechanical properties more difficult.
  • FIG. 19 shows an example of a mounting element 6i which, after being mounted in the housing 1, is to have a cover L projecting on both sides.
  • the opening of the opening 9 corresponds to FIGS. 9, 10, 11 and 12.
  • the Au DT knew the mounting member 6i is circular.
  • the event of intentions ⁇ preferential placement of the adhesive Knew 3c Au SEN knew 2c of the piezoelectric vibrating member ⁇ rule 2 and the opening 9 are symmetrical and centrally bezügl I knew the outside of the mounting element 6i.
  • the mounting element 6i Shen knew when mounting in the housing 1 on the Au knew ebenfal ls to glue.
  • the mounting element 6i has a first symmetrical axis and a second axis of symmetry Simi Sym 2) t he is in d iesem example perpendicular to the first axis of symmetry Simi.
  • the ultrasound transducer at least partially emits a multiplex sound field.
  • Fig. 20 shows another example of a conceivable mounting element 6j with four further openings 20.
  • Such openings 20 can also bring about a local modification of the mechanical and acoustic properties of a mounting element 6j. Symmetry is often useful, but not mandatory. Also, the shape and size of the openings 20 do not have to match.
  • the openings 20 may be, for example, openings or slots or openings of another shape in the respective mounting element. But it may also be only blind holes, notches or other depressions from the upper or lower surface (side) of the mounting element 6j ago trade n. Instead of such bulges but here is the reverse Fal l conceivable. It may therefore instead of the openings 20 to increases of a one- or two-dimensional lattice trade n.
  • the elevations of the mounting member 6j may be, for example, protruding cylinders or grooves or protrusions of a different shape on the mounting member 6j on the upper or lower surface (side) of the mounting member 6j. Al le molds can be mixed on a mounting member 6j.
  • FIG. 21 shows an ultrasound transducer with a mounting element 6e in cross-section, which has a cover L lying on both sides.
  • the mounting member 6 e is fixed to the housing 1 with a first electrically insulating adhesive 3.
  • a second amount of electrically insulating adhesive 3b be ⁇ strengthens the mounting member 6e on the other side of the double-ed iegen- the Ü berhangs L.
  • Hierdu rch, a further adhesive edge gives 3d.
  • the mounting element has a first thickness dl.
  • the intermediate space which forms between mounting element 6e and housing bottom 1b has a second thickness d2.
  • the mounting element is in this area provided with a two-dimensional grid of holes (openings 10). If the housing 1 is filled with air, the volume of air between the mounting element 6e and the housing bottom 1b interacts with the air.
  • the interaction can be set.
  • the entire mounting element 6e includes, but for example, remains limited to the area of the second axis of symmetry Sym2.
  • the openings 9, 20 are located both completely underneath the piezoelectric oscillating element 2, as well as completely in the region of an overhang 6g, L as well as partly under the piezoelectric Oscillating element 2 and / or as well as partially and in particular simultaneously partially in the region of an over ⁇ hanging 6g, L can be located.
  • the outer shape of the mounting element 6, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e is always round or elliptical. In principle, any shapes are conceivable, wherein the outside could also run under the piezoelectric oscillating element and within the bonding area 3c.
  • Fig. 22 again shows FIG. 21 with a potting compound 12.
  • Fig. 23 shows the FIG. 21, wherein under the cover L, a structured mold element 6f is inserted and fixed, which modifies the properties of the gap between the mounting element 6e and housing bottom lb mod and modifies the mechanical properties of the housing bottom lb.
  • the mold element 6f can be glued, for example, in the housing bottom lb.
  • the mold element 6f has depressions 17, which change its mechanical and acoustic properties. In these recesses 17 and / or lb increases the housing bottom, or this in the Genzobo- the lb that are available insertion element 6f is Mod duct design specifications of the mechanical properties of the housing bottom l b in particular a one or two ⁇ can make dimensional lattice.
  • Fig. 24 shows the ultrasonic transducer TR of FIG. 23 with the difference that it is filled with a casting compound 12.
  • a mass or a medium 18 for modifying the mechanical and / or acoustic properties is located between the overlapping L of the mounting element 6e on both sides and the housing bottom 1b.
  • the openings 10 in the mounting member 6e are filled with the mass 18 in this example.
  • Openings 17 in the housing floor 1b of its upper and lower side modify locally the mechanical and / or acoustic properties. These are also filled with the compound 18 by way of example.
  • Fig. 25 shows an ultrasonic transducer TR from FIG. 21 again with a mounting member 6e in cross-section, which has a Ü on both sides L Ü overhang.
  • the mounting member 6 e is again fixed to the housing 1 with a first electrically insulating adhesive 3.
  • a second quantity of electrically insulating adhesive 3b secures the mounting element 6e on the other side of the overhang L on both sides. This results in a further adhesive edge 3d.
  • the mounting element has a first thickness dl.
  • the intermediate space which forms between the mounting element 6e and the housing bottom 1b has a second thickness d 2.
  • the mounting element is provided with a two-dimensional grid of bulges (elevations 10b) in this area.
  • the housing 1 is filled with air, the volume of air between the mounting element 6e and the housing bottom 1b interacts with the air.
  • the interaction and the mechanical properties of the overhang L can be adjusted be.
  • a temporal phase shift between a deflection of the housing bottom 1b in the region of the piezoelectric oscillating element can again be achieved.
  • elements 2 and a Auslenku ng in the region of the second Klebestel le 3b can be achieved. It is particularly advantageous if the additional splice 3b does not, as shown in FIG. 19 drawn, the entire mounting element 6e includes, but for example, remains limited to the area of the second axis of symmetry Sym2.
  • the elevations 10b can be located both completely underneath the piezoelectric oscillating element 2, as well as completely in the region of an overhang 6g, L and partly under the piezoelectric oscillating element 2 and / or as partially and are partially in the region of a ⁇ hangs 6g, L particular simultaneously can. Also, it is not absolutely necessary that the outer shape of the mounting element 6, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e is always round or elliptical. In principle, bel iebige forms are conceivable, wherein the Au DT knew again under the piezoelectric vibrating element and innerhal b the adhesive 3c can run.
  • ii a change in the directional characteristic (acoustic radiation behavior)
  • iii a change of the frequency response (further resonances at different frequencies)
  • FIG. 26 shows an example based on the example of FIG. 19 for a mounting geelement 6k, which should have after mounting in the housing 1 but now one-sided overhang L.
  • the opening of the opening 9 corresponds to FIGS. 9, 10, 11 and 12.
  • the outer edge of the mounting element 6k is only largely circular.
  • the intended placement of the adhesive 3c, the outer edge 2c of the piezoelectric vibrating element 2 and the opening 9 are symmetrical and centric with respect to the outer edge of the mounting element 6k.
  • the second adhesive bond 3d now comprises only a part of the mounting element 6k.
  • the mounting member has 6k respect to the main body has a first axis of symmetry Syrrii and a second axis of symmetry Sym 2, which in this
  • Example is perpendicular to the first symmetry axis Syrru.
  • the ultrasound transducer at least partially radiates a multipole sound field off.
  • the exemplary mounting element 6k is provided with two acoustic stub lines SL1 and SL2, which have a third adhesion 3e at their end. This third bond leads back to a sound node in this area and to the sound reflection to the main body of the mounting element. Together with this result then different resonance frequencies.
  • the connection of the first acoustic stub SL1 through the perforation of the mounting element in the region of the connection is different than for the second acoustic stub. This leads to a modification of resonance frequency and resonance quality.
  • the bottom la of the housing typically represents the sound membrane and radiates downward from the ultrasound;
  • electrically insulating adhesive or first interpolation point of an electrically insulating adhesive which is capable of transmitting the vibrations of the piezoelectric vibrating element 2 and optionally has sufficient elasticity to allow the vibrations of the piezoelectric vibrating element 2 and at the same time a reliable mechanical connection with the housing bottom la and to ensure sufficient electrical isolation over the life of the ultrasonic transducer TR.
  • the second support point of the electrically insulating adhesive 3. This forms the abutment or a support point for the overhang L overlying the mounting element 6e between the adhesive edges 3c, 3d of the electrically insulating adhesive 3,3b.
  • the third support point for the support of the acoustic stub lines by an adhesive which is preferably also electrically insulated is lierend.
  • the position, size, thickness and type of adhesive affect the resonant frequency and the resonant quality of the respective acoustic stub SL1, SL2;
  • first electrical lead electrical connection of the first contact 2a
  • electrically conductive, exemplarily circular mounting ring which is offset from thetician loved 2c of the piezoelectric vibrating element 2 and the type is increased, that results in an overhang 6g after assembly. It has an exemplary, non-centric and reduced opening 9d below the piezoelectric oscillating element 2. In addition, it has a two-dimensional grid of openings 10 with a first grid spacing ai in a first direction parallel to the surface of the mounting element and a second grid spacing a 2 in one second direction parallel to the surface of the mounting member, wherein the first and second directions are not parallel.
  • e electrically conductive, exemplary mounting ring which is offset from thetician remind 2c of the piezoelectric vibrating element 2 and the type is increased, that after mounting a two-sided overhang L results. It has an exemplary, non-centric and reduced opening 9b below the piezoelectric oscillating element 2. In addition, it has a one- or two-dimensional grid of openings 10 with a grid spacing a in a first direction parallel to the surface of the mounting element.
  • exemplary symmetrical mounting ring which is increased in terms of its radius relative to the mounting ring 6 (Fig. 17a) of the type that results in a round around the same width, double-sided overhang L after assembly. It has an exemplary, centric opening 9 below the piezoelectric oscillating element 2. In addition, it has two regions each with an exemplary two-dimensional grid of openings 10 with a grid spacing a in a first direction parallel to the surface of the mounting element.
  • the mounting ring has a first symmetry axis Syrrii and a second symmetry axis Sym 2 .
  • the mounting ring has a first symmetry axis Syrrii and a second symmetry axis Sym 2 .
  • exemplary symmetrical mounting ring with two acoustic stub lines SL1 and SL2, which is increased in terms of its radius relative to the mounting ring 6 (Fig. 17a) of the type that results after mounting a round over the same width, double-sided overhang L. It has an exemplary, centric opening 9 below the piezoelectric oscillating element 2. In addition, it has two regions each with an exemplary two-dimensional grid of openings 10 with a grid spacing a in a first direction parallel to the surface of the mounting element.
  • the mounting ring has a first symmetrical axis and a second axis of symmetry Syrrii Sym 2 without the acoustic drop lines SL1 and SL2. electrical connection of the housing 1, which is isolated from the piezoelectric vibrating element 2;
  • electrically conductive adhesive capable of transmitting the vibrations of the piezoelectric vibrating element 2 and optionally having sufficient elasticity to allow the vibrations of the piezoelectric vibrating element 2 while providing a reliable mechanical and electrical connection to the casing bottom 1a over the life of the ultrasonic Ensure transducers TR.
  • the opening is filled with the electrically insulating adhesive 3 after assembly.
  • the opening is filled with the electrically insulating adhesive 3 after assembly.
  • the opening is filled with the electrically insulating adhesive 3 after assembly.
  • the opening is filled with the electrically insulating adhesive 3 after assembly.
  • Opening of a one- or two-dimensional grid may be, for example, cylindrical openings or slots or openings of another shape in the mounting element. But it can also be just blind holes, notches or other depressions from the upper or lower surface (side) of the mounting element ago.
  • ridges may, for example, act on protruding cylinders or grooves or protuberances of other shape in the mounting member from the upper or lower surface (side) of the mounting member.
  • Vibrating element 2 (carries the first electrical contact 2a of the piezoelectric vibrating element 2)
  • Vibrating element 2 (carries the second electrical contact 2b of the piezoelectric vibrating element 2) 16 parallel displaced housing axis 13 (symmetry axis) of the housing / the housing walls lc or parallel displaced surface normal of the housing bottom lb
  • depressions and / or elevations of the housing bottom lb or of an insert element 6f located in the housing bottom which in particular can form a one-dimensional or two-dimensional lattice.
  • these can be, for example, cylindrical blind holes or slots or depressions of a different shape in the housing base 1b from the top or bottom side of the housing bottom.
  • these protruding cylinders or grooves or protuberances of other shape can be in the housing bottom 1b from the top or bottom of the housing bottom. It may also be such structures in or on an insert element 6f in the housing base 1b.
  • first and second grid pitches ai, a 2 may be equal to the root of a and the first and second directions may be perpendicular to each other. This is shown in FIG.
  • ai first lattice spacing for repeating the arrangement of openings 10 and / or recesses 10 and / or elevations 10b in a first direction parallel to the surface of the mounting element 6,6b, 6c, 6d, 6f to form the pattern of a two-dimensional lattice in the mounting element 6 , 6b, 6c, 6d, 6f.
  • the first and the second direction are not parallel to each other.
  • a 2 second grid spacing for the repetition of the arrangement of
  • the first and the second direction are not parallel to each other. a 3 third grid spacing for the repetition of the arrangement of
  • the third and the fourth direction are not parallel to each other.
  • C B us Filter capacitor for the mass of the data bus LIN_M, LIN_S
  • n preferably integer, positive factor between the wavelength ⁇ _ the radiated sound waves in air and the diameter L G of the typically round housing 1 or housing bottom la.
  • PCB board within the ultrasonic module SM This typically carries the evaluation circuit US ctr and its external components (see Fig. 1). It is in the housing of the ultrasonic module with the transducer TR and the plug Con electrically and mechanically connected.
  • the ultrasound module typically includes the PCB with the evaluation circuit US ctr and its periphery, the connector Con for connection of the ultrasound module , and the ultrasound transducer TR.
  • the housing bottom la, the housing 1 shows in Fig. 3 to the left. This sound emission is therefore in the example to the left.
  • first symmetry axis of the exemplary round mounting ring 6i, 6j A reflection on this symmetry axis forms the left part of the geometry of the mounting ring 6i on the right part.
  • second axis of symmetry of the exemplary round mounting ring 6i, 6j A reflection on this symmetry axis forms the upper part of the geometry of the mounting ring 6i on the lower part.
  • VBAT unfiltered supply voltage preferably the DC supply voltage of a motor vehicle. This is typically loaded with interfering signals.

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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 Montageelement (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 Schwingelements(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 Schwingelements (2) und den Frequenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden ist. Dabei beziehen sich die Eigenfrequenzen auf solche Eigenfrequenzen des Schwingelements (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 Montageelement (6e) ab.

Description

Schwinqelement für einen Ultraschall-Transducer mit
Mehrfachresonanz
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen 10 2015 015 900.3 vom 26. November 2015, 10 2015 015 901.1 vom 26. November 2015 und 10 2015 015 903.8 vom 26. November 2015 in Anspruch, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung gehören.
Einleitung
Die Erfindung betrifft ein Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer, ein Montageelement für ein derartiges Schwingsystem, einen Ultraschall-Transducer mit einem derartigen Schwingsystem und eine Schaltung zur Ansteuerung eines derartigen Schwingsystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit Mehrfachresonanz, ein Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit einer auf einem Translationsgitter basierenden Mehrfachresonanz sowie ein Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit einer auf einer Rotationsperiodizität basierenden Mehrfachresonanz.
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 Ultra- schall-Transducer. Der Ultraschall-Transducer arbeitet somit zumindest zeitweise als Ultraschallsender und zeitweise als Ultraschallempfänger.
Der Stand der Technik, zu dem US-A-4 283 649, US-A-4 413 629, US-A- 5 423 319, US-A-5 434 827, US-A-2002/0156373, US-A-2004/0114467, US- A-2011/0042014, WO-A-2015/112452, EP-A-0 707 898, JP-A-H l l 069491 und JP-U-S62 098394 zählen, wird anhand der Fign . 1 bis 4 erläutert.
Fig . 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, Fig . 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 piezoelektri- sehen Schwingelements (2, Fig . 2) des Ultraschall-Transducers TR zu gewährleisten . Wird das piezoelektrische Schwingelement (2, Fig . 2) des Ultraschall- Transducers TR nicht angesteuert, so kann über ein im wesentlichen kapazitives Netzwerk CTDI ,CAINI ,CAIN2, RAIN im Zusammenwirken mit der Induktivität des Übertragers UE das durch das piezoelektrische Schwingelement (2, Fig . 2) er- zeugte 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.
Fig . 2 zeigt einen typischen Ultraschall-Transducer im Querschnitt. Die Ultraschall-Transducer sind typischerweise nicht rotationssymmetrisch gefertigt. Am Gehäuse existieren typischerweise zwei gegenüberl iegende Abfla¬ chungen, um eine definierte Montage zu gewährleisten . Die Abstra hl Charakte¬ ristik wird im Stand der Technik d urch eine variierende Dicke der Gehäuse- wand mod ul iert. Typische Ultraschall-Transducer aus dem Stand der Technik zeigen diese variierende Gehäused icke, um d ie Öffnungswinkel in x-und y Richtung einstel len zu können . Dieses Verfahren zur Ausformu ng des Abstrahlwinkels ist relativ kompl iziert, da es komplexe dreidimensionale Formen erfordert.
Der Gehäused urchmesser variiert im Stand der Technik zwischen 14 und 18 mm, dies ist aber nicht exakt n *AL , wobei n eine ganze Zahl und AL die Wellenlänge des Schal ls in der Luft ist, sondern die verschiedenen Freq uenzen sol len im jeweils gleichen Sensormod ulgehäuse d urch eine breitband ige Gehäuseresonanz abstrahl bar und empfang bar sein . Die Wellenlänge AL liegt bei einer typischen Schwingfreq uenz von 58 kHz bei 5,9 mm in Luft bei Raumtemperatur, und bei 108 mm in Al uminium . Die Wellenlänge in Al uminium, aus dem das Gehäuse des Ultraschall-Transducers gefertigt ist, ist also typischerweise um einen Faktor 18,3 größer als d ie Wellenlänge in Luft.
Grundsätzl ich ist ein Ultraschall-Transducer mit zwei und mehr Resonanzfreq uenzen und unterschiedl ichen 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 Schall keule bei kur¬ zer Reichweite und alternativ ein kleiner Öffnungswinkel der Schall keule bei g roße Reichweite (z. B. 6 bis 8 m) . Dies würde beispielsweise eine Nahfelder¬ kennu ng für ultraschal lbasierende Einparkhilfen in einer Kfz-Stoßstange er¬ mög lichen .
Vor d iesem Hintergrund wäre ein einfaches Verfahren zur Einstell ung d ieser Resonanzfrequenzen sowie der Bandbreite und der Güte bei diesen Resonanz- frequenzen 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 lb und Gehäusewänden lc. Typischerweise handelt es sich um eine zumindest annähernd zylindrische Gehäusewand lc. Das Gehäuse 1 ist zumindest teilweise, vorzugsweise als Ganzes, elektrisch leitend, beispiels- weise 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 lb geklebt. Das piezoelektrische Schwingelement 2 weist einen zweiten elektrischen Kontakt 2b auf, der auf der Seite des piezoelektrischen Schwingelements 2 ange- bracht 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 Schwingelements 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 lb und die Gehäusewand lc in mechanische Resonanz und eine Schallwelle wird durch den Gehäuseboden lb nach unten hin in die Luft abgestrahlt. Der Durchmesser des Gehäusebodens beträgt typischerweise ein ganzzahliges (n-faches) Vielfaches der Wellenlänge XL 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 L in Luft betrug .
Fig . 3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch das Ultraschallmodul SM . Eine gedruckte Schaltung PCB trägt typischerweise den Ansteuerschaltkreis (USctr, Fig . 1 ) und die peripheren Bauelemente (siehe Fig . 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 ( lc, Fig . 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 CTDI ,CAINI ,CAIN2, RAIN im Zusammenwirken mit der Induktivität des Übertragers U E, dass dieser ESD-Puls den Ansteuerschaltkreis USctr ungedämpft erreichen und somit beschädigen kann .
Der in Fig . 1 verwendete Übertrager ist jedoch relativ kostspielig . Daher besteht das Bedürfnis, auf diesen verzichten zu können . Fig . 4 zeigt eine Schaltung aus dem Stand der Technik ohne den Übertrager U E mit einem anderen Ansteuerschaltkreis USctr der für eine solche direkte Ansteuerung geeignet ist. Der Ultraschall-Transd ucer TR wird in dem Beispiel der der Fig . 4 d irekt 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 d iese beiden Leitungen DRV1 , DRV2 die Sendeenergie in den Wandler eingebracht werden muss und jedes ESD-Schutzelement in der Zuleitung den Treiberwirkungsgrad absenken würde .
Ü ber zwei Kapazitäten wird das Empfangssig nal mittels eines ersten Eingangs¬ sig nals AI NG für die Einkopplung des Empfangssig nals des Transducers TR in den Ansteuerschaltkreis USctr das die Rol le einer Signalmasse spielt, und mit¬ tels eines zweiten Eingangssig nals AINS für die Einkopplung des Empfangssig- nals des Transducers TR in den Ansteuerschaltkreis USctr, das die Rolle des Sig nals spielt, abgegriffen und der Verarbeitung zugeführt. Ohne Beschränkung der Al lgemeinheit nehmen wir hier beispielhaft an, dass die zweite Zuleitung (5, Fig . 2) mit der zweiten Leitung DRV2 und kapazitiv mit dem zweiten Eingangssignal (AI NG) verbunden ist. Analog nehmen wir an, dass die erste Zuleitung (4, Fig . 2) mit der ersten Leitung DRV1 und kapazitiv mit dem ersten Eingangssig nal AINS verbunden ist.
Aus der J P-U-S61 29 596 ist eine U ltraschallsendevorrichtung bekannt, bei der ein piezoelektrisches Schwingelement ( Bezugszeichen 12 der J P-U-S61 29 596) auf einem Montageelement ( Bezugszeichen 11 der J P-U-S61 29 596) montiert wird . Die Montage geschieht dabei auf einer freigestanzten oder freigeätzten Montageinsel ( Bezugszeichen 11-2 der J P-U-S61 29 596), die über vier kreuzförmig symmetrisch angeordnete Stege ( Bezugszeichen 11- 1 der J P S61- 29 596 U9 d ie mechanische Verbindung zu einem verbleibenden Rahmen, der Teil des Montageelementes ( Bezugszeichen 11 der J P-U-S61 29 596) ist, herstellen . Diese Anord nung aus Montageelement ( Bezugszeichen 11 der J P-U- S61 29 596) und piezoelektrischem Schwingelement ( Bezugszeichen 12 der JP-U-S61 29 596) ist in ein Gehäuse (Bezugszeichen 13 der JP-U-S61 29 596) eingebaut. Die Stege (Bezugszeichen 11- 1 der JP-U-S61 29 596) stellen mechanische Federn dar, die bei Anregung des piezoelektrischen Schwingelements (Bezugszeichen 12 der JP-U-S61 29 596) mit der Masse des Schwing- Systems bestehend aus Montageelement (Bezugszeichen 11 der JP-U-S61 29 596) und piezoelektrischem Schwingelement (Bezugszeichen 12 der JP-U-S61 29 596) ein resonanzfähiges Schwingungssystem bilden . Das System wir durch eine perforierte Abdeckplatte mit Schalldurchtrittsöffnungen (Bezugszeichen 10 der JP-U-S61 29 596) mechanisch vor dem Eindringen von Fremdkörpern geschützt. Dieses System hat den Vorteil, dass mittels eines größeren piezoelektrischen Schwingkörpers (Bezugszeichen 12 der JP-U-S61 29 596) sehr hohe Schallpegelleistungen abgestrahlt werden können . Neben dem Nachteil der Materialermüdung der Federn (Bezugszeichen 11- 1 der JP-U-S61 29 596) 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-U-S60 111 199 bekannt. Hierbei weist das Montageelement (Bezugszeichen 3-2 der JP-U-S60 111 199) jedoch keine Durchbrüche auf. Das Montageelement bildet hier eine homogene rotations- symmetrische Fläche und weist wie im Falle der JP-U-S61 29 596 nur eine
Resonanzfrequenz auf.
Aus der US-A-2010 / 006 011 ist ein M EMS Oszillator bekannt, der mittels Durchbrüchen mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen kann. (Fig . 4 und Ab- schnitt [0064] der US-A-2010 / 006 011) Es ist bekannt, dass solche M EMS 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 M EMS-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-Proble- men.
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 Resonanz- grundfrequenzen, 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, Fig . 1) Diese Resonanzfrequenzen werden im Folgenden und in den Ansprüchen als Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung als Schwingsystem aus Montageelement und piezoelektrischem Schwingkörper für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer, zur Verwendung für ultraschallbasierende Ab- standsmessvorrichtungen 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 ein Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 15 gelöst. Ferner dient zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe ein Montageelement nach Anspruch 8, 9, 10, 11, 20, 21 und 22. Auch wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltung zur Ansteuerung des zuvor genannten Schwingsystems gemäß Anspruch 14 und 23 Schließlich dient zur Lösung der Aufgabe auch ein Ultraschall-Transducer gemäß Anspruch 12. Weitere einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend werden bevorzugte Varianten der Erfindung beschrieben. 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 la und mindestens eine zumindest teilweise elektrisch leitende, insbesondere metallische, Gehäusewand lc 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
Füllmasse 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 Füllmasse 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 der vorliegenden 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 lb befestigt. Selbstverständlich 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 USctr 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 Schwingelements 2, die bisher im Stand der Technik von der Rückseite mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers 8 erfolgte und nun so nicht mehr mög lich ist. Ein Ziel der Erfind ung ist nämlich auch, die Komponenten aus dem Stand der Technik n icht verändern zu müs- sen . Dieses Kontaktierungsproblem wird d urch 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 hal bleitenden Montageelement 6,6b,6c,6d ,6e, insbesondere einem elektrisch leitenden Montagering 6, elektrisch und mechanisch verbunden, wobei die elektrische Verbindung beispielsweise d urch mindestens einen elektrisch leitenden Kleber und/oder Lötung und/oder Schweißung erfolgt oder erfolgen kann .
Theoretisch mögl ich , aber nicht zweckmäßig , ist eine rein mechanische Verbind ung beispielsweise mit elektrisch isol ierendem Kleber, da dann der elektrische Kontakt separat hergestel lt werden müsste. Durch die Form und die Art der mechanischen Verbind ung des Montageelements 6,6b,6c,6d ,6e,6i,6j können die Schwing ungseigenschaften und die Schal labstrahl ung sowie die Empfangseigenschaften mod ifiziert werden . Dies ist der Kern der Erfind ung . Das erfind ungsgemäße Schwingsystem bestehet in erster Lin ie aus einem Montageelement 6,6b,6c,6d ,6e,6i,6j als Schwing körper und mindestens einem die Schwing ung dieses Schwing körpers 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 Verwend ung in einem Kfz vorgesehen . Das piezoelektrische Schwingelement 2 des Schwingsystems ist mit dem Montageelement 6,6b,6c,6d ,6e,6i,6j mechanisch verbunden . Typischerweise wird die mechanische Verbind ung zwischen piezo¬ elektrischem Schwingelement 2 des Schwingsystems und dem Montageele¬ ment 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j d urch 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, lc eines U ltraschall-Transd ucers TR verbunden . Dabei bedeutet elastisch, dass der Betrag des E- Mod uls des Klebers geringer ist als der Betrag des E- Mod uls des piezoelektrischen Schwingelements und als der Betrag des E- Mod uls des Gehäusebodens la des Gehäuses. Andere Montagemethoden wie beispielsweise Schweißen, Löte und Einpressen und andere bekannte Verbin- d ungsformen 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 Schwingelements 2 so, dass die kürzeste Verbindungslinie von dem Schwer¬ punkt des piezoelektrischen Schwingelements 2 zu dem Gehäuse 1 , 1a, lc, 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 Verl uste in Form einer Schal ldämpfung auf, die vorzugsweise so gestaltet werden, dass das Schwingsystem such Schallabstrahlung und Kleberdämpfung asymptotisch schnel l ausschwingt, wenn das Schwingelement nicht mehr betrieben wird . Der Kleber und seine Positionierung unterhal b des Schwingelements sind also kritisch für eine g ute Emp¬ fangsperformance, um eine Schallreflektion auch bei kurzen Abständen gut erfassen zu können . Das erfind ungsgemäße Schwingsystem des Ultraschall- Transducers bestehend aus Montageelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j und piezo- elektrische Schwingelement 2 zeichnet sich nun im Gegensatz zum Stand der Technik dad urch aus, dass bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements 2 d urch einen Ansteuerschaltkreis USctr zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfreq uenz und eine zweite Resonanzfreq uenz und gegebenenfal ls weitere Resonanzfre¬ q uenzen, angeregt werden können, die voneinander verschieden sind . Insbesondere ist dabei zumindest eine d ieser Resonanzfreq uenzen von den d rei Eigenfreq uenzen des piezoelektrischen Schwingelements 2 und den Freq uenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden . Hierbei beziehen sich diese Freq uenzen auf die Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements ohne anmontiertes Montageelement. Die Grundidee der Erfind ung ist also, Eigenschwingungen eines Montageelementes mit einem d iskreten g rößeren Schwingelement anzuregen . Um mehrere Eigenfreq uenzen des Montageelementes, oder besser des Schwingsystems bestehend aus Montageelement und piezoelektrischem Schwingelement zu ermögl ichen, wird die Struktur des Montageelementes geeig net mod ifiziert. 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 Eigen moden des Montageelements ermög licht. Eine solche Aussparung kann auch eine Aus¬ oder Einbuchtung der Kante des Montageelements sein . Das Freq uenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfreq uenz dividiert d urch den Betrag der ersten Resonanzfreq uenz hängt dann von einem Durchmesser und/oder der Lage d ieser Öffnung 9,9b,9c,9d und/oder Aus- und/oder Einbuchtung und/oder Aussparung und/oder Vertiefung auf dem Montageelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j ab.
Eine verfeinerte Ausführung einer erfind ungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Montageelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j mindestens ein M uster von Öffnungen 10 auf einer Oberfläche des Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j und/oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des Montage¬ elements 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 ni*a l und/oder einen zweiten Abstand rrii*a2 , wobei ni und rru ganze Zahlen sind, zumindest teil- weise 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 Resonanzfre- quenz von dem ersten Abstand ai und typischerweise von dem ersten Abstand a2 sowie dem Winkel zwischen den zugehörigen Richtungen dieser Abstände
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 Montageele- mentes 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j um zumindest einen ersten Winkel η3*θι, 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 Re- sonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von dem ersten Winkel $i ab.
Das Schwingsystem des Ultraschal-Transducers und damit der der Ultraschall- Transducer selbst weist typischerweise zumindest zwei voneinander verschie- dene 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 er- reicht werden. Auf ähnl iche Weise kann der Ultraschall-Transducer zwei und mehr voneinander verschiedene Abstrahlcharakteristiken, eine erste Abstrahlcharakteristik bei der ersten Resonanzfreq uenz und eine zweite Abstrahlcharakteristiken bei der zweiten Resonanzfrequenz, aufweisen . Dabei ist Abstrahlcharakteristik so zu verstehen , dass d ie d urch das Schwingsystem abgestrahlte Schallampl itude pro Sterad iant in den Raum hinein von dem Winkel zwischen der Verbind ungsachse vom dem Punkt, an dem d ie Schallamplitude erfasst wird , zu einem Auf¬ punkt der zur Flächennormale 14 zur Oberfläche 2a auf der einen Seite und der entsprechenden Flächennormale 14 zur Oberfläche 2a des Montageele- ments 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j auf der anderen Seite abhängt.
Wie bereits erwähnt kann die Fläche des Montageelementes variiert werden, um die geeigneten akustischen Eigenschaften hervorzurufen . Insbesondere kann eine erste ebene Querschnittsfläche eines Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j, insbesondere des Montagerings 6, die senkrecht zur Flä¬ chennormale einer Oberfläche des Montageelementes 6b,6c,6d ,6e,6i,6j, insbe¬ sondere des Montagerings 6, ist, eine andere Form haben als eine zweite ebene Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelements 2, die eben¬ falls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements 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 Resonanzfre¬ q uenz darstellt. In besonderen Ausprägungen der Erfind ung wird somit der Flächenschwerpunkt der Oberfläche des Montageelementes 6b,6c,6d ,6e,6i,6j gegenüber dem Flächenschwerpunkt einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements 2 versetzt angeordnet.
Bei einer geeigneten Kombination von solchen akustischen Leitungen und Dämpfungselementen in Form eines geeigneten, nur lokal angebrachten Kle- bers 10 kann erreicht werden, dass die Schallabstrahlachse 11 Schwingsys¬ tems des Ultraschall-Transducers TR nicht parallel zur die Oberflächennorma¬ len 14, 15 der ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwing- elements 2 ist. Dies aus der Literatur (z. B. US-A-4 413 629) nur bei Verwend ung 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 unterhal b des Schwingelements 2 versehen, um die Biegesteifigkeit des Montageelements anzupassen . Dies hat den Zweck die Akustische Impedanz des Montageelementes als akustische Schal leitung im Bereich des Schwingelements an die akustische Impedanz des Schwingelements anzupassen und ist so in dieser Funktion aus der Literatur nicht bekannt. Es ist somit die Funktion d ieser Öffnung, die Energieeinkoppl ung vom piezoelektrischen Schwingelement in das Montageelement zu verbessern .
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 des¬ sel ben, z. B. eine akustische Stichleitung, mindestens ein Längenmaß auf, das ein ganzzahl iges (k-faches) Vielfaches der mittleren Schal lwellenlänge λ)ϊΓη Montageelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j geteilt durch vier ist k* /4)
Ein wesentl iches Element eines solchen akustischen Montageelementes 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j kann sein, dass es eine akustische Abzweig leitung, z. B. als akustische Stichleitung, aufweist. Eine solche Stichleitung kann frei im Raum enden oder d urch einen geeig neten Kleber am Ende fixiert sein . Dieser akustische Abschluss kann d urch die Wahl des Klebers und die Prozessierung des Klebevorgangs geeig net angepasst werden . Hierd urch können beispielsweise λ/2 und λ/4 Resonatoren erzeugt werden .
Neben dem Montageelement sel bst kann auch das Gehäuse geeig net 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 lb 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 DRVl und eine zweite elektrische Leitung DRV2 direkt und vor allem übertragerlos mit dem piezoelektrischen Schwingelement 2 des Schwingsystems elektrisch verbunden ist. Die Ansteuerschaltung USctr kann dabei ein elektrisches spannungsmoduliertes Sendesignal mit einer Sendefrequenz über die erste Leitung DRVl 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 Tl, der mit einem ersten Sendesignal Oia angesteuert wird, und mindestens einem zweiten Transistor T3, der mit einem komplementären ersten Sendesignal Oib angesteuert wird . Dabei treibt der erste Inverter die zweite Leitung DRV2 zur direkten übertragerlosen diffe- rentiellen 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 02a, das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal Oia sein kann, angesteuert wird, und mindestens einem vierten Transistor T4, der mit einem komplementären zweiten Sendesignal 02b, das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal Oib sein kann, angesteuert wird . Der zweite Inverter treibt die erste Leitung DRVl zur direkten übertragerlosen dif- ferentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements 2. Die Ansteuerschaltung USctr schaltet typischerweise während des Empfangs die Sen- designale Oia^ib^a^b 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 gegebenenfalls 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 gegebenenfalls eine dritte Resonanzfrequenz und gegebenenfalls 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 Frequenzumschal- tung 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 Messaufga¬ ben, beispielsweise Nahbreichsabstandsmessung beim Einparken mit einem Kfz und Fernbereichsabstandsmessu ng beim suchen einer Parklücke umschalten zu können, was das letztend liche Ziel ist.
Es ist daher mögl ich, dass es abhängig von der Anwend ung sinnvol l ist, wenn zumindest eine erste ebene Querschnittsfläche zumindest eines Montageele¬ ments 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 piezo¬ elektrischen Schwingelements 2, die ebenfalls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements 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 ab¬ weicht. Diese Form, insbesondere die Außenkannte zumindest eines Montage¬ elements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j kann relativ frei gewählt werden, hat jedoch immer Einfluss auf d ie akustischen Eigenschaften des U ltraschall-Transducers TR. Dies ist insbesondere bei der Fertigung kleiner Stückzahlen von Ultraschall- Transd ucern TR von Vorteil, da die Montageelemente 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j bei¬ spielsweise d urch fotolithog rafisches Ätzen und/oder Laserschneiden in kleinen Stückzahlen schnel l und kosteng ünstig hergestellt werden können . Auf diese Weise ist eine einfache und kosteng ünstige Anpassung der Eigenschaften des Ultraschall-Transducers an spezifische Aufgaben mögl ich . Diese Flexibil ität der akustischen Eigenschaften der Ultraschall-Transducer TR in der Produktion dersel ben ist somit ein Nebenprodukt der zuvor skizzierten ESD- Robustheit.
Durch diese Mod ifikationen und/oder beispielsweise den verkippten Einbau zumindest eines Pakets aus piezoelektrischem Schwingelement 2 und Monta- geelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j kann erreicht werden, dass die Schallabstrahlachse 11 des Ultraschall-Transducers TR nicht parallel zur einer Oberflächen¬ normalen 14, 15 einer ersten oder zweiten Oberfläche des betreffenden piezo- elektrischen Schwingelements 2 ist. Dabei wird die Oberfläche als erste Ober¬ fläche 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 Symmetrie¬ achse des Gehäuses lc und/oder der Gehäusewände l c und/oder zu einer Flä¬ chennormale einer inneren oder äußeren Oberfläche des Gehäusebodens l b des Gehäuses 1 sein . Was für die Schal labstrahlachse 11 gilt, kann auch für d ie Oberflächennormale 14, 15 einer Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements 2 erreicht werden . Auch d iese kann nicht parallel zu einer Gehäuseachse 13 und/oder einer Symmetrieachse des Gehäuses lc und/oder der Gehäusewände lc und/oder zu einer Flächennormale einer inneren oder äußeren Oberfläche des Gehäuse- bodens l b des Gehäuses 1 angeordnet werden .
Typischerweise wird das Gehäuse 1 des Ultraschall-Transducers becherförmig ausgefü hrt. Dabei ist die Aufbauhöhe h aus Kleber 3 u nd optionalem Montage¬ element 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 g rößer als d ie 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 d iesem Fal l weise das Montageele¬ ment 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j für den erfind ungsgemäßen 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 Stel le des Montageelementes 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j mod ifizieren . Hierd urch kann bei¬ spielsweise lokal dass mittlere E-Mod ul geändert werden . Hierbei erfolgt die M ittel ung 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 ein- zel ne oder auch mehrere Aussparu ngen und/oder einzelne oder auch mehrere Vertiefungen aufweisen . Einzel ne oder mehrere Öffnungen 9,9b,9c,9d, 10,20 können komplett oder auch nur teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement 2 angeord net sein . Einzel ne oder mehrere Öffnungen 9,9b,9c,9d, 10,20 können komplett über oder auch nur teilweise über dem elektrisch isolierenden Kleber 3 angeord net sein . Einzel ne 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 , angeord net sein . Einzel ne oder mehrere Öffnungen 9,9b,9c,9d , 10,20 können beispielsweise zylinderförmige Durchbrüche oder Schlitze oder Öffnungen anderer Form in dem jeweil igen 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 einzel ne 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 einzel nen oder auch mehreren Öffnungen oder einzel nen oder auch mehreren Vertiefungen und/oder einzel nen oder auch mehreren Aussparungen oder auch gleichzeitig mit d iesen, in umgekehrter Weise auch einzel ne oder auch mehrere Erhöhungen aufweist. Diese einzel nen oder auch mehreren Erhöhungen können beispielsweise einzelne oder auch mehrere abstehende Zyl inder oder einzelne oder auch mehrere Nuten oder einzel ne oder auch mehrere Ausstül- pungen anderer Form an dem jeweiligen Montageelement an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des jeweil igen Montageelementes sein . Einige d ieser einzelne oder auch mehrere Öffnungen können beispielsweise in einem zwei- oder eindimensionalem Gitter mit einer Elementarzelle angeordnet werden . Dabei wiederholt sich d ie Anord nung der Strukturen - z. B. Öffnungen und Erhöhungen - der Elementarzelle bei Verschiebung längs einer Oberfläche des jeweil igen Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j um mindestens einen Gittervektor in mindestens eine Gitterrichtung . Eine besondere Ausprägu ng eines erfind ungsgemäßen Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j weist daher mindestens ein M uster - 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 ni*ai und/oder einen zweiten Abstand rrii*a2 , wobei ni und rru ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich sel bst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreid imensionales Gitter bildet. Besonders geeignete M uster lassen sich mittels der Anordnung in einem q uadratischen hexagonalen Gitter erzeugen . In d iesem Fal l ist dan n d ie Gitterstruktur des zweid imensionalen Gitters hexagonal oder q uadratisch . Die Gittersymmetrie ist dann vier oder sechszähl ig . Natürl ich sind auch rechteckige und/oder rhombische Gitter denkbar.
Diese Strukturen können grundsätzl ich auch in den Gehäuseboden l b eingebracht werden . Eine Ausprägu ng des erfind ungsgemäßen Ultraschall-Transd u- cers zeichnet sich somit unter anderem dad urch aus, dass der Ultraschall- Transd ucer zumindest eine weitere Struktu r im Gehäuseboden aufweist, d ie in ähnl icher Weise zum Montageelement ein M uster 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 sel bst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreid imensionales 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 USctr nicht mehr so frequenzselektiv, kann ein Anwender bei den Strukturen des Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j bzw. im Gehäusebo- den lb 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 Ein- parksensor 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 DRVl 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 Sende- Signal auf der ersten Leitung DRVl 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. Natürl ich ist es denkbar, mehr als zwei Messaufgaben mit gegebenenfal ls mehr als zwei Sendefrequenzen und mit gegebenenfal ls mehr als zwei Resonanzfre¬ q uenzen und gegebenenfal ls mehr als zwei Güten u nd gegebenenfal ls mehr als zwei Abstrahlcharakteristiken vorzusehen .
M it Hilfe eines somit elektrisch gegenüber dem Gehäuse 1 isolierten piezoelektrischen Schwingelements 2 kann nu n eine elektrische Schaltung aufge¬ baut werden . Diese Schaltung zur Ansteuerung eines Ultraschall-Transducers TR mit einem erfind ungsgemäßen 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 Tl und mindestens einem zweiten Transistor T3. Der erste Transistor Tl wird mit einem ersten Sendesignal Oia angesteuert. Der zweite Transistor T3 wird mit einem dazu komplementären ersten Sendesignal Oib angesteuert. Diese Transistoren T1 ,T3 treiben eine zweite Leitung DRV2 zur d irekten diffe- rentiellen 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 o2a, das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal Oia sein kann, an¬ gesteuert wird . Darüber hinaus umfasst die Schaltung mindestens einem vierten Transistor T4, der mit einem komplementären zweiten Sendesignal 02b, das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal Oiab sein kann, angesteuert wird . Die beiden Transistoren T2,T4 treiben eine erste Leitung DRV1 zur d irekten differentiel len Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements 2. Da die Sendesig nale den Empfang stören würden, schal¬ ten die Sendesig nale Oia,Oib^2a^2b 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 be¬ cherförmig 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 d urch einen Anschluss ESD_GN D auf ein gegenüber den anderen Teilen der Schaltung definiertes Potenzial, vorzugsweise eine ESD- Masse, gelegt. Um den Einfl uss des Gehäuses 1 d urch kapazitive Kopplung und derg leichen auf den Rest der Schaltung zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn dass das Gehäuse 1 des Ultraschall-Transducers TR mit einer niederohmigen Span¬ nungsq uelle oder mit einer Kapazität beispielsweise gegen Signalmasse oder mit dem Anschluss an eine Versorg ungsspannungsleitung oder eine Masselei- tung als ESD- Erd ung verbunden ist.
Damit ein piezoelektrische Schwingelement 2 Anschwingen kann, ist es vorteil haft, wenn das betreffende piezoelektrische Schwingelement 2 isoliert von der ESD- Erd ung über zwei Leitungen DRV1 ,DRV2 angesteuert werden kann und ein geeignetes Ansteuersignal als Spann ung zwischen diesen beiden Lei¬ tungen DRV2, DRV1 angelegt wird, das mindesten eine Flan ke und/oder Polaritätswechsel vorzugsweise in digitaler Form aufweist. In dem Fal l kann ein solches piezoelektrisches Schwingelement 2 mit einem digitalen Sig nal ange¬ regt werden .
Neben dem Ultraschall-Transducer TR, den Montageelementen 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j und der zugehörigen Ansteuerschaltung umfasst die Erfind ung auch ein Verfahren zur Herstell ung eines solchen U ltraschal l-Transducers TR.
Dieses umfasst in einer ersten Auspräg ung die Schritte :
Bereitstel len eines Gehäuses 1 ,
Einbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Klebemasse 3 in das Gehäuse 1 ,
- mechanisches Verbinden mindestens eines elektrisch leitenden Montage¬ elements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j, insbesondere eines Montagerings 6, mit der mindestens einen elektrisch isol ierenden Klebemasse 3, Einbringen mindestens eines piezoelektrischen Schwingelements 2 in das Gehäuse 1 ,
mechanisches Verbinden des mindestens einen piezoelektrischen Schwingelements 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 Schwing¬ elements 2 mittels mindestens eines zweiten Kontakts 2b mit dem min¬ destens 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, gegebenenfalls elektrisches Verbinden mindestens einer dritten elektri- sehen Zuleitung 7 mit dem Gehäuse 1.
H ierbei werden die Schritte vorzugsweise in der oben angegebenen Reihenfolge d urchgeführt. Al lerd ings 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 d ie Schritte :
Bereitstel len eines Gehäuses 1 ,
- Einbringen mindestens einer elektrisch isol ierenden Klebemasse 3,3b in das Gehäuse 1 , mechanisches und elektrisches Verbinden mindestens eines Schwingelements 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 Schwingelements 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 Schwingelements 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,
gegebenenfalls 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 lb 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 gegebenenfalls 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 lb 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 min¬ destens einer Füllmasse 12 ergänzt werden. Wobei dieser Schritt typischerweise als letzter Schritt des Prozesses durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Schwingsystem weist ein Montageelement 6e als Schwingkörper und ein die Schwingung dieses Schwingkörpers antreibenden piezoelektrischen Schwingelement 2 pro Montageelement 6e auf. Es ist für die Verwendung in einem Ultraschall-Transducer TR vorgesehen. Das Schwingelement 2 ist mit dem Montageelement 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, lc eines Ultraschall-Transdu- cers 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 Schwingelements 2 d urch einen Ansteuerschaltkreis zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, auf, wobei zumindest eine d ieser Resonanzfrequenzen von den drei aus dem Stand der Technik bekannten Eigenfreq uenzen des piezoelektrischen Schwingelements 2 und den Freq uenzen der entsprechenden Oberwellen verschieden ist. Dabei beziehen sich die Eigenfreq uenzen auf solche Eigenfrequenzen des Schwingelements 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 Stich¬ leitung 10 sein, die wiederum d urch eine weitere Klebung 3b akustisch ab- oder kurzgeschlossen sein kann . Das Freq uenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfreq uenz dividiert d urch den Betrag der ersten Resonanzfreq uenz hängt dabei von einem Du rchmesser oder der Lage der Öffnung 9b und/oder Aussparung und/oder Vertiefung und/oder der Länge der Ausstülpung 10 auf dem Montageelement 6e ab. Das erfind ungsgemäße Schwingsystem weist ein Montageelement 6k und ein Schwingelement 2c auf. Das Schwingelement 2c ist mit dem Montageelement 6k verklebt. Dieses wiederum ist in das Gehäuse eines U ltraschal l-Transducers TR mittels eines Klebers 3c,3d eingeklebt, wobei die kürzeste Verbind ungsl inie von dem Schwerpunkt des Schwingelements 2c zu dem Gehäuse den elasti- sehen Kleber 3 schneidet. Im Gegensatz zum Stand der Technik weist das Schwingsystem bei elektrischer Ansteuerung des Schwingelements 2c zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen auf, die voneinander verschieden sind . Diese Resonanzfrequenzen sind von den Eigenfreq uenzen des Schwingelements 2c ohne anmontiertes Montageelement 6k verschieden . Das Montageelement 6k weist zur Einstell ung d ieser Resonanzfrequenzen ein gitterförmiges M uster von Öffnu ngen 10 auf einer Oberfläche des Montageele¬ ments 6k auf. Dabei hängt das Freq uenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von der Gitterkonstanten ai ab.
Das erfindungsgemäße Schwingsystem weist einem Montageelement 6e und ein Schwingelement auf. Das Schwingelement ist mit dem Montageelement 6j verklebt. Dieses wiederum ist in das Gehäuse eines Ultraschall-Transducers TR mittels eines Klebers 3c,3d eingeklebt, wobei die kürzeste Verbindungslinie von dem Schwerpunkt des Schwingelements zu dem Gehäuse den elastischen Kleber 3c schneidet. Im Gegensatz zum Stand der Technik weist das Schwing- System bei elektrischer Ansteuerung des Schwingelements zumindest zwei oder mehr mechanische Resonanzfrequenzen auf, die voneinander verschieden sind. Diese Resonanzfrequenzen sind von den Eigenfrequenzen des Schwingelements ohne anmontiertes Montageelement verschieden. Das weist Montageelement 6j weist zur Einstellung dieser Resonanzfrequenzen ein rotations- symmetrisches, periodisches Muster von Öffnungen 20 auf einer Oberfläche des Montageelements 6j auf. Dabei hängt das Frequenzverhältnis des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz dividiert durch den Betrag der ersten Resonanzfrequenz von der Gitterkonstanten $i der Rotationssymmetrie ab. Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung vertieft anhand der Figuren beschrieben.
Fig . 1 zeigt eine Ansteuerschaltung mit einem Übertrager für einen Ultra- schall- Transducer entsprechend dem Stand der Technik.
Fig . 2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Trans- ducer entsprechend dem Stand der Technik. Fig . 3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Sensormodul entsprechend dem Stand der Technik. Fig. 4 zeigt eine Ansteuerschaltung ohne einen Übertrager für einen Ultraschall-Transducer entsprechend dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt eine Treiberstufe des Ansteuerschaltkreises.
Fig. 6 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem.
Fig. 7 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Trans- ducer Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, der vergossen ist.
Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ohne einen Übertra¬ ger für einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem.
Fig. 9 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem mit Gehäusesymmetrieachse.
Fig. 10 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, der vergossen ist. Fig. 11 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, wobei das piezoelektrische Schwingelement ver¬ kippt ist. Fig. 12 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen,
Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem und mit Gehäusesymmetrieachse, wobei das piezoelektrische Schwing¬ element verkippt ist. zeigt einen vereinfachten Querschn itt durch einen Ultraschall-Trans- d ucer mit erfind ungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist. zeigt einen vereinfachten Querschnitt d urch einen vergossenen, Ultraschall-Transd ucer mit erfind ungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist. zeigt einen vereinfachten Querschn itt durch einen Ultraschall-Trans- d ucer mit erfind ungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist und wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist. zeigt einen vereinfachten Querschnitt d urch einen vergossenen, Ultraschall-Transd ucer mit erfind ungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und die Öffnung im Montageelement asymmetrisch und verkleinert ist und wobei das piezoelektrische Schwingelement verkippt ist. zeigt ein beispiel haftes Montageelement der Fign . 7, 9, 10, 11 , 12 in der Aufsicht. zeigt ein beispiel haftes Montageelement der Fign . 13, 14, 15, 16 in der Aufsicht. Fig. 18a zeigt ein beispielhaftes Montageelement bei dem nur die Öffnung verkleinert und asymmetrisch ist in der Aufsicht.
Fig. 18b zeigt ein beispielhaftes elliptisches Montageelement mit verkleinerter asymmetrisch platzierter Öffnung und einem Überhang mit einem zweidimensionalen Loch-Gitter (zweidimensionaler Kristall) in der Aufsicht.
Fig. 19 zeigt ein beispielhaftes rundes Montageelement mit einem beidseitig aufliegendem Überhang und zwei beispielhaften Bereichen mit einem beispielhaften zweidimensionalen Lochgitter in der Aufsicht.
Fig. 20 zeigt ein beispielhaftes rundes Montageelement mit einem beidseitig aufliegendem Überhang und vier beispielhaften Öffnungen 20 im Bereich dieses Überhangs in der Aufsicht.
Fig. 21 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Trans- ducer 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.
Fig. 22 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen vergossenen,
Ultraschall-Transducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wo- bei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter befindet.
Fig. 23 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ultraschall-Trans- ducer mit erfindungsgemäßem Schwingsystem, wobei das Montageelement einseitig übersteht und der Überhang beidseitig auf Kleber aufliegt und wobei sich im Bereich des Überhangs ein Lochgitter be- findet und unterhalb des Überhangs im Gehäuseboden sich ein Einlegeelement befindet.
Fig . 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.
Fig . 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 Er- höhungen befindet.
Fig . 26 zeigt eine Erweiterung von Fig . 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 Fign . 5 bis 25. Der beanspruchte Umfang ergibt sich dabei aus den Ansprüchen . Fig . 5 zeigt eine typische Treiberschaltung DRV zur Ansteuerung der ersten Leitung DRVl 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, Fig . 4) erzeugt wird . Ein erster Transistor Tl, der typi- scherweise ein p-Kanal-MOS-Transistor ist, wird mit einem ersten Signal Oia angesteuert und zieht die erste Leitung DRVl, die typischerweise mit dem ersten Kontakt 2a des piezoelektrischen Schwingelements 2 verbunden ist, auf ein positives Potenzial, wenn der erste Transistor Tl einschaltet. Ein dritter Transistor T3, der typischerweise ein n- Kanal- MOS-Transistor ist, wird mit einem ersten komplementären Sig nal Oib angesteuert und zieht die erste Lei¬ tung DRV1 , auf ein Massepotenzial, wenn der d ritte Transistor T3 einschaltet. Eine nicht gezeichnete Blockierschaltung verhindert das gleichzeitige Einschal¬ ten des ersten und d ritten Transistors T1 ,T3. Während des Empfangs sind der erste und d ritte Transistor T1 ,T3 ausgeschaltet.
Ein zweiter Transistor T2, der typischerweise ein p- Kanal- MOS-Transistor ist, wird mit einem zweiten Sig nal <D2a 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 02b 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 ebenfal ls ausgeschaltet. Typischerweise sind das erste und zweite Sig nal zu- einander komplementär, so dass der Pegel der Wechselspannung zwischen der ersten und zweiten Leitung in etwa das Doppelte des Pegels der Versorg ungs¬ spannung VDRV beträgt.
Während des Empfangs sind al le vier Transistoren T1 ,T2,T3,T4 typischerweise ausgestellt. Die Schaltung DRV hat dann einen hochohmigen Ausgangswiderstand an ihren Ausgängen DRV1 , DRV2.
Um nu n das ESD- Problem zu lösen, sieht die Vorrichtung mit erfind ungsgemäßem Schwingsystem eine elektrische Isolation des piezoelektrischen Schwing- elements 2 gegenüber dem Gehäuse 1 vor. Dies ist in Fig . 6 dargestellt. Eine elektrische Kontaktierung des zweiten Kontakts 2b des piezoelektrischen Schwingelements 2 muss aber weiterhin mög lich sein . Fig . 6 zeigt die ent- sprechende 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 wer- den 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 herge- stellt 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 lb 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-GN D 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 XL ist. Hierdurch kommt es zu einer gewissen Richtwirkung des abgestrahlten Schalls des Ultraschall-Trans- ducers TR. Die Schallabstrahlrichtung 11 ist hier mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet. In dem Beispiel der Fig . 6 besitzt das Montageelement 6 eine symmetrische Öffnung 9, d ie hier beispielhaft vom elektrisch isol ierenden Kleber 3 gefül lt ist. Es handelt sich bei dem Montageelement 6 also eher um einen Montagering 6. Dessen Außenkannte besitzt in d iesem Beispiel einen Rad ius, der g rößer als der Rad ius der Au ßen kannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 2 ist. Ebenso ist der Rad ius der Außenkannte des Montageelements g rößer als der Rad ius des Kreises der Klebekante 3c. Das bedeutet, dass der Montagering 6 in d iesem Beispiel ein wenig über das piezoelektrische Schwingelement 2 und d ie Klebekante 3c hinaussteht.
Der Montagering bzw. das Montageelement 6 verändert natürlich d ie Schwingeigenschaften des piezoelektrischen Schwingelements 2. Ein wichtiger beanspruchter Nebeneffekt der erfind ungsgemäßen Konstruktion ist daher, dass d urch geeignete Formgebung des Montageelementes 6 und geeignete Anbrin- g ung des Paktes aus piezoelektrischem Schwingelement 2 und Montageelement 6, also des Schwingsystems, die Schwing ungs- und Abstrahleigenschaf¬ ten des Ultraschall-Transducers TR gezielt mod ifiziert werden können . Dies ist insbesondere deshal b vorteilhaft, weil nur die Formgebung des Montageele¬ ments 6 angepasst werden muss, während al le anderen Komponenten des Ultraschall-Transducers TR in ihrer Konstruktion belassen werden können . Wird das Montageelement 6 beispielsweise d urch fotolithog rafisches Ätzen und/oder Laserschneiden hergestellt, so ist es mög lich, auch geringste Stückzahlen speziel ler Ultraschall-Transducer TR kosteng ünstig herzustellen, ohne dass das Gehäuse 1 oder die äußere Kristallform des piezoelektrischen Schwing ungselements 2 verändert werden muss.
Das Gehäuse 1 wird mit den angedeuteten Kerben dann in eine Halteru ng eingeklemmt. Die Halterungen dienen dann typischerweise als Festlager, die einen rotatorischen Freiheitsg rad zulassen d u somit die Torsionsschwing ung des Gehäuses 1 um d iese 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 Fig. 10 beispielhaft eingezeichnet. Auswahl und Konsistenz dieser Vergussmasse sollten sich an den Anforderungen der jeweiligen Aufgabe orien- tieren. Hierzu sollten FEM -Simulationen des Ultraschall-Transducers in der Konstruktionsphase durchgeführt werden.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen darüber hinaus noch eine Gehäuseachse 13. Statt der Gehäuseachse 13 kann auch eine Flächennormale des Gehäusebodens lb be- züglich 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 lb um einen Ver- kippwinkel ß kann die Schallabstrahlrichtung 11 gegenüber der Gehäuseachse
13 um einen Abstrahlwinkel α gekippt werden. Fig. 11 zeigt diesen Fall . Hierbei bezieht sich in diesem Beispiel der Verkippwinkel ß 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 Montage- elements 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 ß oder des Abstrahlwinkels α verwendet werden. Fig. 12 zeigt die Vorrichtung aus Fig. 11 mit einer Füllmasse 12.
Fig. 13 stellt den Ultraschall-Transducer TR aus Fig. 9 mit einem modifizierten Montageelement 6b dar. Dieses verfügt über eine nicht zentrische Öffnung 9b, die hier zudem kleiner als die Öffnung 9 der Fig. 9 ist. Gleichzeitig führt die Form des Montageelements 6b zu einem einseitig aufliegenden Überhang 6g, der über die Klebekannte 3c weiter als im Fall der Fig. 9 hinausragt. Die Asymmetrie der Lage der Öffnung 9b, deren Größe und der einseitig auflie¬ gende Überhang 6g führen zu einer Veränderung der Schwingungseigenschaften des Ultraschall-Transducers TR und zu einer Verzerrung des Schallfel- des, das von diesem beim Senden erzeugt wird. Insbesondere kommt es zu einer geänderten Wechselwirkung zwischen dem Montageelement 6b, dem Gehäuseboden lb und der Gehäusewand lc im Bereich und Umfeld des einsei¬ tig aufliegenden Überhangs 6g. Typischerweise wird hierdurch die Richtung und der Betrag der Schallabstrahlrichtung 11 sowie die Form der Schallab- strahlkeule beeinflusst.
Auch ändern sich gegebenenfalls die Resonanzfrequenzen und das Dämpfungsverhalten. All dies wird der Fachmann beim Entwurf typischerweise mit Hilfe einer FEM-Simulation während der Konstruktionsphase optimieren. Fig. 14 zeigt wieder Fig. 13 mit einer geeigneten Füllung 12.
Diese Asymmetrie der Fign. 12 und 13 kann natürlich mit der Verkippung der Fign. 10 und 11 kombiniert werden. Fig. 15 zeigt die Kombination der Verkippung mit der Asymmetrie des Montageelements 6b und Fig. 16 diese mit einer Füllung 12. Die Fign . 17 bis 20 zeigen einige beispielhafte Montageelemente 6,6b,6c,6d,6i,6j in der Aufsicht für ein rotationssymmetrisches piezoelektri¬ sches Schwingelement 2. Fig . 17a zeigt das Montageelement 6 der Fign . 9, 10, 11 , 12 in der Aufsicht. Die spätere Lage der Klebekannte 3c sowie d ie spätere Lage der Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelements sind beispiel haft markiert. Das Montageelement 6 weist die bereits beschriebene Öffn ung 9 auf. Es handelt sich also um einen Montagering .
Fig . 17b zeigt das Montageelement 6b der Fign . 13, 14, 15, 16 in der Aufsicht. Die spätere Lage der Klebekannte 3c sowie d ie spätere Lage der Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelements sind beispiel haft 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 Schwingelements 2 vorgesehen, dessen Lage hier d urch seine Außenkannte 2c angedeutet ist. Auch d ie Klebekannte 3c sol l asymmetrisch liegen . In d iesem Beispiel ist die Klebekannte 3c symmetrisch zur Au ßen kannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 2 angeord- net. Dies ist zwar vorteil haft, aber nicht zwingend erforderlich . Es mag Anwend ungen geben, in den auch hier eine weitere Asymmetrie sinnvol l ist. Es handelt sich also um einen asymmetrischen Montagering .
Fig . 17a zeigt einen beispiel haften Montagering 6c, der ohne Ü berhang 6g montiert werden soll , bzw. dessen Ü berhang nur sehr klein ist. Die Klebekannte 3c und die Au ßen kannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 2 sol len in d iesem Beispiel symmetrisch zur Au ßen kannte des Montageelements 6c angeord net werden . Ledigl ich die Öffnung 9c ist asymmetrisch angeordnet. Fig . 17b zeigt ein weiteres beispiel haftes Montageelement 6d mit einer ell iptischen Außenkannte. Die Öffnu ng 9d ist verkleinert und azentrisch angeordnet. Die vorgesehenen Lagen der Klebekannte 3c und der Außenkannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 2 sind ebenfal ls azentrisch und asymmetrisch zur Öffnung 9d angeord net. Der Bereich des einseitig aufl iegenden Ü berhangs 6g ist zusätzlich mit einem Gitter aus Öffnungen 10 versehen . Diese bilden in d iesem Beispiel ein zweidimensionales Gitter (einen zweidimensiona- len Kristal l), der die mittleren mechanischen Eigenschaften des Montageelements 6d, wie beispielsweise das mittlere E- Mod ul in d iesem Bereich ändert. H ierd urch kann die die Schall- und/oder Schwing ungsausbreitung bestimmende flächige Eigenschaftsverteil ung des Montageelements 6d d urch einfa¬ che mechanische Strukturierung lokal mod ifiziert werden . In dem Beispiel weist das zweidimensionale Gitter eine erste Gitterkonstante ai und eine zweite Gitterkonstante a2 auf. Natürlich ist es denkbar, andere Elementarzel len 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 unterschiedl ichen zweid imensionalen Gittern zu belegen, die sich d urch Ausrichtung der Gitter, Gitterkonstanten, Elementarzel len und Elementen (Öffnungen, Erhöhungen, Vertiefungen) der Elementarzel len unterschieden . In dem Beispiel der Fig . 18b ist d ie Elementarzelle zur Vereinfachten Darstell ung eine einzelne Öffnung 10. Die Öffnungen 10 können beispielsweise zylinderförmige Durchbrüche oder Schlitze oder Öff- nungen anderer Form in dem jeweil igen Montageelement 6d sein . Es kan n 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 handel n . Statt solcher Ausbuchtungen ist aber auch der umgekehrte Fal l denkbar. Es kann sich statt der Öffnungen 10 somit auch um Erhöhungen eines ein- oder zweidimensionalen Gitters handel n . Die Erhöhungen des Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j können beispielsweise abstehende Zyl inder oder Nuten oder Ausstül pungen anderer Form an dem Montageelement 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Mont¬ ageelementes 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j sein .
In dem Beispiel der Fig . 18b sind die Gitterlinien gerade. Stattdessen ist es aber auch denkbar, dass d ie Gitterlinien auf gekrümmten Lin ien l iegen . In die- sem Fal l ist aber zumindest eine Gitterkonstante typischerweise n icht kon¬ stant, was d ie Berechnung der mechanischen Eigenschaften erschwert.
Fig . 19 zeigt ein Beispiel für ein Montageelement 6i, das nach der Montage in das Gehäuse 1 einen beidseitig aufl iegenden Ü berhang L aufweisen soll . Zur Vereinfachung entspricht die Öffnung der Öffnung 9 der Fign . 9, 10, 11 und 12. Die Au ßen kannte des Montageelements 6i ist kreisförmig . Die beabsich¬ tigte Platzierung der Klebekannte 3c, der Au ßen kannte 2c des piezoelektri¬ schen Schwingelements 2 und der Öffnung 9 sind symmetrisch und zentrisch bezügl ich der Außen kannte des Montageelements 6i . Im Gegensatz zu den zu¬ vor besprochenen Montageelementen ist es hier vorgesehen, das Montageelement 6i bei seiner Montage im Gehäuse 1 an der Au ßen kannte ebenfal ls zu verkleben . H ierbei entsteht eine zweite Klebekannte 3d , d ie ebenfalls hinsicht¬ lich ihrer geplanten Lage gestrichelt eingezeich net ist. Im Bereich des beidsei- tig eingespan nten Ü berhangs L befinden sich zwei zweid imensionale Gitter, die hier d urch Öffnungen 10 erzeugt werden . Das Montageelement 6i weist eine erste Symmetrieachse Symi auf und eine zweite Symmetrieachse Sym2) d ie in d iesem Beispiel senkrecht zur ersten Symmetrieachse Symi ist. Durch d iese Struktu rierung strahlt der Ultraschall-Transducer zumindest teilweise ein Mu lti- polschallfeld aus.
Fig . 20 zeigt ein weiteres Beispiel eines denkbaren Montageelements 6jmit vier weiteren Öffnungen 20. Auch solche Öffnungen 20 können eine lokale Modifikation der mechanischen und akustischen Eigenschaften eines Montageele- mentes 6j herbeifüh ren . Eine Symmetrie ist oft sinnvoll , aber n icht zwingend erforderlich . Auch muss die Form und Größe der Öffnungen 20 nicht übereinstimmen .
Die Öffnungen 20 können beispielsweise Durchbrüche oder Schlitze oder Öff- nungen 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 handel n . Statt solcher Ausbuchtungen ist aber hier der umgekehrte Fal l denkbar. Es kann sich statt der Öffnungen 20 somit auch um Erhöhungen eines ein- oder zweidimensionalen Gitters handel n . Die Erhöhungen des Montageelements 6j können beispielsweise abstehende Zyl inder oder Nuten oder Ausstül pungen anderer Form an dem Montageelement 6j an der oberen oder unteren Oberfläche (Seite) des Montageelementes 6j sein . Al le Formen können auf einem Montageelement 6j gemischt werden . Dies erhöht al lerd ings die Kosten der Herstell ung, weshalb d ies nur in besonderen Fällen zum Tragen kommen wird . Fig . 21 zeigt einen Ultraschall-Transducer mit einem Montageelement 6e im Querschnitt, der einen beidseitig aufl iegenden Ü berhang 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 be¬ festigt das Montageelement 6e auf der anderen Seite des beidseitig aufl iegen- den Ü berhangs L. Hierdu rch ergibt sich eine weitere Klebekante 3d . In dem Beispiel besitzt das Montageelement eine erste Dicke d l . Der Zwischenraum, der sich zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden l b bildet, habe eine zweite Dicke d2. Das Montageelement sei in d iesem Bereich mit einem zweidimensionalen Gitter von Bohrungen (Öffnungen 10) versehen . Ist das Ge- häuse 1 mit Luft gefüllt, so interagiert das Luftvolumen zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden l b mit der Luft. Durch geeignete Auswahl der Maße der Gitterabstände ai,a2,a und/oder der Größe der Öffnungen 10 und/oder des zweiten Abstands d 2 und oder der Dicke d l des Montageele¬ ments 6e etc. kann die Interaktion eingestel lt werden .
Insbesondere kann eine zeitl iche Phasenverschiebung zwischen einer Auslenkung des Gehäusebodens l b im Bereich des piezoelektrischen Schwingele¬ ments 2 und einer Auslenkung im Bereich der zweiten Klebestelle 3b erzielt werden . Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zusätzl iche Klebestelle 3b n icht, wie in Fig . 19 gezeichnet, das gesamte Montageelement 6e umfasst, sondern beispielsweise auf den Bereich der zweiten Symmetrieachse Sym2 beschränkt bleibt. Es sollte an d ieser Stel le u nbed ingt 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 Ü berhangs 6g , L als auch teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement 2 und/oder als auch teilweise und insbesondere gleichzeitig teilweise im Bereich eines Über¬ hangs 6g , L befinden können . Auch ist es nicht zwingend notwend ig , dass die Außenform des Montageelements 6,6b,6c,6d,6e stets rund oder ell iptisch ist. Im Prinzip sind beliebige Formen denkbar, wobei die Au ßen kannte auch unter dem piezoelektrischen Schwingelement und innerhal b der Klebekan nte 3c ver- laufen kann .
Fig . 22 zeigt wieder Fig . 21 mit einer Vergussmasse 12. Dabei kann der Zwischenraum zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden l b mit der Verg ussmasse 12, einer anderen Masse oder mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllt sein .
Fig . 23 zeigt d ie Fig . 21 , wobei unter dem Ü berhang L ein strukturiertes Formelement 6f eingelegt und befestigt ist, das die Eigenschaften des Zwischenraumes zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden l b mod ifiziert und die mechanischen Eigenschaften des Gehäusebodens l b verändert. Das Formelement 6f kann beispielsweise in den Gehäuseboden l b eingeklebt sein . In dem Beispiel weist das Formelement 6f Vertiefungen 17 auf, d ie seine mechanischen und akustischen Eigenschaften verändern . Bei diesen Vertiefungen 17 und/oder Erhöhungen des Gehäusebodens l b oder dieses sich im Gehäusebo- den l b befindenden Einlegeelements 6f, die insbesondere ein ein- oder zwei¬ dimensionales Gitter bilden können handelt es sich um Mod ifikationen der mechanischen Eigenschaften des Gehäusebodens l b. Als Vertiefu ngen können diese beispielsweise zylinderförmige Sacklöcher oder Schlitze oder Vertiefun¬ gen anderer Form in dem Formelement 6f oder in dem Gehäuseboden l b von der Ober - oder U nterseite des Gehäusebodens l b her sein . Als Erhöhungen können diese beispielsweise abstehende Zylinder oder Nuten oder Ausstül pun- gen anderer Form in dem Formelement 6f oder in dem Gehäuseboden l b von der Ober - oder U nterseite des Gehäusebodens her sein .
Fig . 24 zeigt den Ultraschall-Transducer TR der Fig . 23 mit dem U nterschied, dass d ieser mit einer Verg ussmasse 12 gefül lt ist. Zwischen dem beidseitig aufl iegenden Ü berhang L des Montageelements 6e und dem Gehäuseboden l b befindet sich eine Masse oder eine Medium 18 zur Mod ifikation der mechanischen und/oder akustischen Eigenschaften . Die Öffnungen 10 im Montageelement 6e sind in d iesem Beispiel mit der Masse 18 gefüllt. Öffnungen 17 im Ge- häuseboden l b von dessen U nter- und Oberseite mod ifizieren lokal die mechanischen und/oder akustischen Eigenschaften . Auch d iese sind mit der Masse 18 beispielhaft gefül lt.
Fig . 25 zeigt einen Ultraschall-Transducer TR aus Fig . 21 wieder mit einem Montageelement 6e im Querschnitt, der einen beidseitig aufl iegenden Ü berhang L aufweist. Das Montageelement 6e ist wieder mit einem ersten elektrisch isolierenden Kleber 3 an dem Gehäuse 1 befestigt. Eine zweite Menge elektrisch isol ierenden Klebers 3b befestigt das Montageelement 6e auf der anderen Seite des beidseitig aufl iegenden Ü berhangs L. Hierdu rch ergibt sich eine weitere Klebekante 3d . In dem Beispiel besitzt das Montageelement eine erste Dicke d l . Der Zwischenraum, der sich zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden l b bildet, habe eine zweite Dicke d 2. Das Montageelement sei in d iesem 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 l b mit der Luft. Durch geeignete Auswahl der Maße der Gitterabstände ai,a2,a und/oder der Größe der Erhöhungen 10b und/oder des zweiten Abstands d 2 und oder der Dicke d l des Montageelements 6e etc. kann die Interaktion und die mechanischen Eigenschaften des Überhangs L eingestel lt werden .
Insbesondere kann wieder eine zeitliche Phasenverschiebung zwischen einer Auslenkung des Gehäusebodens l b im Bereich des piezoelektrischen Schwing- elements 2 und einer Auslenku ng im Bereich der zweiten Klebestel le 3b erzielt werden . Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zusätzl iche Klebestelle 3b nicht, wie in Fig . 19 gezeichnet, das gesamte Montageelement 6e umfasst, sondern beispielsweise auf den Bereich der zweiten Symmetrieachse Sym2 beschränkt bleibt.
Es sollte an d ieser Stel le u nbed ingt erwähnt werden, dass es denkbar ist, dass die Erhebungen 10b sich sowohl vollständig unter dem piezoelektrischen Schwingelement 2, als auch vollständig im Bereich eines Ü berhangs 6g , L als auch teilweise unter dem piezoelektrischen Schwingelement 2 und/oder als auch teilweise und insbesondere gleichzeitig teilweise im Bereich eines Über¬ hangs 6g , L befinden können . Auch ist es nicht zwingend notwend ig, dass die Außenform des Montageelements 6,6b,6c,6d,6e stets rund oder ell iptisch ist. Im Prinzip sind bel iebige Formen denkbar, wobei d ie Au ßen kannte wieder auch unter dem piezoelektrischen Schwingelement und innerhal b der Klebekannte 3c verlaufen kann .
M it solchen Gitterstrukturen aus Öffnungen 10 und/oder Vertiefungen allgemein oder Erhöhungen 10b, wie sie in d ieser Offenbarung beschrieben sind, kann insbesondere i . eine Änderung der Güte und/oder Bandbreite
ii . eine Änderung der Richtcharakteristik (akustisches Abstrahlverhalten) iii . eine Änderung des Freq uenzverhaltens ( weitere Resonanzen auf unter- schied lichen Freq uenzen) erreicht werden . Weitere Mittel zum modifizieren d ieser d rei 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 d l des jeweiligen Montageelements 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j, der Abstand d2 zwischen den jeweiligen Montageelementen 6e und der jeweiligen Innenseite des Gehäusebodens lb im Bereich eines einseitig aufliegenden Überhangs 6g des jeweiligen Montageelements 6e oder im Bereich eines beid- seitig 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 lb.
Fig . 26 zeigt ein Beispiel basierend auf dem Beispiel der Fig . 19 für ein Monta- geelement 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 Fign . 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 Sym- metrieachse Syrrii auf und eine zweite Symmetrieachse Sym2, die in diesem
Beispiel senkrecht zur ersten Symmetrieachse Syrru ist. Durch diese Strukturierung strahlt der Ultraschall-Transducer zumindest teilweise ein Multipol- schallfeld aus. Darüber hinaus ist das beispielhafte Montageelement 6k mit zwei akustischen Stichleitungen SLl 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 Montageele- mentes zurück. Zusammen mit diesem ergeben sich dann unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Dabei ist die Anbindung der ersten akustischen Stichleitung SLl durch die Perforation des Montageelementes 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;
la Boden des Gehäuses 1. Der Boden la des Gehäuses stellt typischerweise die Schallmembrane dar und strahlt nach unten hin den Ultraschall ab;
lc Gehäusewand;
2 piezoelektrisches Schwingelement;
2a erster elektrischer Kontakt des piezoelektrischen Schwingelements 2;
2b zweiter elektrischer Kontakt des piezoelektrischen Schwingelements 2;
2c Außenkannte des piezoelektrischen Schwingelements 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 gegebenenfalls genügend Elastizität aufweist, um die Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements 2 zuzulassen und gleichzeitig eine zuverlässige mechanische Verbindung mit dem Gehäuseboden la und eine ausreichende elektrische Isolation über die Lebensdauer des Ultraschall-Transducers TR sicherzustellen.
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.
Klebekante des elektrisch isolierenden Klebers 3 bzw. des ersten Stützpunkts des elektrisch isolierenden Klebers 3;
Klebekante des zweiten Stützpunkts des elektrisch isolierenden Klebers 3b;
dritter Stützpunkt für die Abstützung der akustischen Stichleitungen durch einen Kleber, der vorzugsweise ebenfalls elektrisch iso- lierend ist. Die Position, Größe, Dicke und die Art des Klebers beeinflussen die Resonanzfrequenz und die Resonanzgüte der jeweiligen akustischen Stichleitung SL1,SL2;
erste elektrische Zuleitung , elektrischer Anschluss des ersten Kontakts 2a;
zweite elektrische Zuleitung, elektrischer Anschluss des piezoelektrischen Schwingelements 2 über den zweiten elektrischen Kontakt 2b des piezoelektrischen Schwingelements 2;
elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering mit einer symmetrisch angeordneten Öffnung 9 unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements 2;
elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 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.
elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 2 symmetrisch angeordnet ist. Er weist eine beispielhafte, nicht zentrische und verkleinerte Öffnung 9c unterhalb des piezoelektrischen Schwingelements 6 auf.
elektrisch leitender, beispielhaft kreisförmiger Montagering, der gegenüber der Außenkannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 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 ai 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.
e elektrisch leitender, beispielhafter Montagering, der gegenüber der Außenkannte 2c des piezoelektrischen Schwingelements 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.
f Einlegeelement im Gehäuseboden lb mit Vertiefungen 17 oder entsprechenden Erhöhungen, die insbesondere auch ein ein- oder zweidimensionales Gitter bilden können;
g Bereich des einseitig aufliegenden Überhangs (6g) des Montageelements (6b) über die Oberkante (3c) des elektrisch isolierenden Klebers (3);
i elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering, der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering 6 (Fig. 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 Syrrii und eine zweite Symmetrieachse Sym2.
j elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering, der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering 6 (Fig. 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 Syrrii und eine zweite Symmetrieachse Sym2.
elektrisch leitender, beispielhafter symmetrischer Montagering mit zwei akustischen Stichleitungen SL1 und SL2, der hinsichtlich seines Radius gegenüber dem Montagering 6 (Fig. 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 Syrrii und eine zweite Symmetrieachse Sym2. elektrischer Anschluss des Gehäuses 1, der isoliert vom piezoelektrischen Schwingelement 2 ist;
elektrisch leitfähiger Kleber, der zur Übertragung der Schwingungen des piezoelektrisches Schwingelements 2 in der Lage ist und gegebenenfalls, genügend Elastizität aufweist, um die Schwingungen des piezoelektrischen Schwingelements 2 zuzulassen und gleichzeitig eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung mit dem Gehäuseboden la über die Lebensdauer des Ultraschall-Transducers TR sicherzustellen.
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.
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.
c 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.
d 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.
0 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.
0b 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.
1 Schallabstrahlrichtung
2 Vergussmasse oder Füllmasse
3 Gehäuseachse (Symmetrieachse) des Gehäuses/der Gehäusewände lc oder Flächennormale des Gehäusebodens lb4 Flächennormale der ersten Oberfläche des piezoelektrischen
Schwingelements 2 (trägt den ersten elektrischer Kontakt 2a des piezoelektrischen Schwingelements 2)
5 Flächennormale der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen
Schwingelements 2 (trägt den zweiten elektrischen Kontakt 2b des piezoelektrischen Schwingelements 2) 16 parallelverschobene Gehäuseachse 13 (Symmetrieachse) des Gehäuses/ der Gehäusewände lc oder parallelverschobene Flächennormale des Gehäusebodens lb
17 Vertiefungen und/oder Erhöhungen des Gehäusebodens lb 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 lb 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 lb von der Ober - oder Unterseite des Gehäusebodens her sein. Es kann sich auch um solche Strukturen in oder an einem Einlegeelement 6f im Gehäuseboden lb handeln.
18 Masse oder Medium zwischen Montageelement 6e und Gehäuseboden lb.
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 la bzw. gegenüber der Gehäuseachse 13 ß Verkippwinkel der Flächennormalen 14,15 einer ersten oder zweiten Oberfläche oder einer Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelements 2 oder Verkippwinkel einer Symmetrieachse des piezoelektrischen Schwingelements 2 auf der einen Seite gegenüber der Flächennormalen 13 des Gehäusebodens la bzw. gegenüber der Gehäuseachse 13 auf der anderen Seite λι_ 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 ai, a2 gleich der Wurzel von a sein und die erste und zweite Richtung senkrecht aufeinander stehen . Dies ist in Fig. 18 dargestellt.
ai 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 lb zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in der Oberfläche des Gehäusebodens lb. 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 lb zur Bildung des Musters eines zweidimensionalen Gitters in der Oberfläche des Gehäusebodens lb. Die dritte und die vierte Richtung sind dabei nicht parallel zueinander. AING erstes Eingangssignal für die Einkopplung des Empfangssignals des Transducers TR in den Ansteuerschaltkreis USctr- (Signal¬ masse)
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 CAINI 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- CSUPI erster Siebkondensator in der Versorgung
CSup2 zweiter Siebkondensator in der Versorgung
CSUP_TD Kapazität in der Siebung des Bezugsknotens des Übertragers UE CTDI 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
dl Dicke des Montageelementes 6,6b,6c,6d,6e,6i,6j
d2 Abstand zwischen Montageelement 6e und der Innenseite des Gehäusebodens lb 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 Schwingelements 2 DRV2 zweite Leitung zur differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements 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 λι_ der abgestrahlten Schallwellen in Luft und dem Durchmesser LG des typischerweise runden Gehäuses 1 bzw. Gehäusebodens la.
PCB Platine innerhalb des Ultraschallmoduls SM . Diese trägt typischerweise die Auswerteschaltung USctr und ihre externen Komponenten (siehe Fig. 1). Sie ist in dem Gehäuse des Ultraschallmoduls mit dem Transducer TR und dem Stecker Con elektrisch und mechanisch verbunden.
Auskoppelwiderstand für den Ultraschall-Transducer TR entsprechend dem Stand der Technik
Vorwiderstand in der Versorgungsleitung, der der Tiefpassfilterung der Versorgung dient
Vorwiderstand in der Siebung des Bezugsknotens des Übertragers UE
Dämpfungswiderstand und Anpassung für den Ultraschall-Transducer TR entsprechend dem Stand der Technik
erste akustische Stichleitung oder Abzweigleitung
zweite akustische Stichleitung oder Abzweigleitung
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 la, des Gehäuses 1 zeigt in Fig. 3 nach links. Diese Schallabstrahlung erfolgt daher in dem Beispiel nach links.
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. 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.
erster Transistor der Treiberschaltung DRV zur direkten Ansteue- rung des Ultraschall-Transducers TR
zweiter Transistor der Treiberschaltung DRV zur direkten Ansteue- rung des Ultraschall-Transducers TR
dritter Transistor der Treiberschaltung DRV zur direkten Ansteue- rung des Ultraschall-Transducers TR T4 vierter Transistor der Treiberschaltung DRV zur direkten Ansteue- rung 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-Versor- gungsspannung 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.
V S. UP Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung USctr nach Siebung und Verpolungsschutz
VSUP Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung USctr nach Siebung und Verpolungsschutz
VSUP E Versorgungsspannungs-Pin am Stecker Con des Ultraschallmoduls
SM

Claims

ANSPRÜCHE
1. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR), mit
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),
wobei das piezoelektrische Schwingelement (2) mit dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mechanisch verbunden ist,
wobei die mechanische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Schwingelement (2) und dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e, 6i,6j,6k) als Klebung mittels eines Klebers und/oder als Lötung und/oder als Schweißung ausgebildet ist, und
wobei das Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1,1a, lc) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1,1a, lc) durch den elastischen Kleber (3) verläuft,
g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,
dass das Schwingsystem bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) durch einen Ansteuerschaltkreis zumindest zwei oder mehr voneinander verschiedene mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz und gegebenenfalls weitere Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, aufweist,
dass zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von der oder den Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements (2) ohne mit diesem verbundenes Montageelement und den Frequenzen von Oberwellen dieser Eigenfrequenz oder Eigenfrequenzen verschieden ist, 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 definiert als Quotient des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz und des Betrags der ersten Resonanzfrequenz von der Form und/oder der Größe und/oder der Lage der Öffnung (9,9b,9c,9d) und/oder der Aussparung und/oder der Form und/oder der Größe und/oder der Tiefe der Vertiefung und/oder der Form und/oder der Größe und/oder der Höhe der Ausstülpung (SL1, SL2) auf dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) abhängt.
2. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR), mit
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),
wobei das piezoelektrische Schwingelement (2) mit dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mechanisch verbunden ist,
wobei die mechanische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Schwingelement (2) und dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e, 6i,6j,6k) als Klebung mittels eines Klebers und/oder als Lötung und/oder als Schweißung ausgebildet ist, und
wobei das Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1,1a, lc) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1,1a, lc) durch den elastischen Kleber (3) verläuft,
g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,
dass das Schwingsystem bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) durch einen Ansteuerschaltkreis (USctr) zumin- dest zwei oder mehr voneinander verschiedenen mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz und gegebenenfalls weitere Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, aufweist,
dass zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von der oder den Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements (2) ohne mit diesem verbundenes Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) und den Frequenzen von Oberwellen der Eigenfrequenz oder Eigenfrequenzen verschieden ist,
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 Schwingelements (2) an die akustische Impedanz des Montageelementes (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) an- passt, und
dass das Frequenzverhältnis definiert als Quotient des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz und des Betrags der ersten Resonanzfrequenz von der Form und/oder der Größe und/oder der Lage der Öffnung (9,9b,9c,9d) und/oder der Aussparung und/oder der Form und/oder der Größe und/oder der Tiefe der Vertiefung und/oder der Form und/oder der Größe und/oder der Höhe der Ausstülpung (SL1, SL2) auf dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) abhängt.
3. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR), mit
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) mit dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mechanisch verbunden ist,
wobei die mechanische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Schwingelement (2) und dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e, 6i,6j,6k) als Klebung mittels eines Klebers und/oder als Lötung und/oder als Schweißung ausgebildet ist, und
wobei das Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1,1a, lc) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1,1a, lc) durch den elastischen Kleber (3) verläuft,
g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,
dass das Schwingsystem bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) durch einen Ansteuerschaltkreis (USctr) zumindest zwei oder mehr voneinander verschiedene mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz und gegebenenfalls weitere Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, aufweist,
dass zumindest eine dieser Resonanzfrequenzen von den Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Schwingelements (2) ohne mit diesem verbundenes Montageelement verschieden ist,
dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens ein Muster von Öffnungen (10) auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) und/oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) und/oder Erhöhungen (10b) und/oder Ausstülpungen (SL1,SL2) auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) aufweist, das bei translatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des Montageelementes (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) um zumindest einen ni- fachen ersten Abstand ai und/oder einen mi-fachen zweiten Abstand a2, wobei ni und rrii ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet ist, also insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Gitter auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) bildet und
dass das Frequenzverhältnis definiert als Quotient des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz und des Betrags der ersten Resonanzfrequenz von dem ersten Abstand ai und/oder dem zweiten Abstand a2 abhängt.
4. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Ultraschall-Transducer zumindest zwei voneinander verschiedene Güten oder Resonanzbandbreiten, eine erste Güte oder erste Resonanzbandbreite bei der ersten Resonanzfrequenz einerseits und eine zweite Güte oder zweite Resonanzbandbreite bei der zweiten Resonanzfrequenz andererseits, aufweist.
5. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Ultraschall-Transducer zumindest zwei voneinander verschiedene Abstrahlcharakteristiken, eine erste Abstrahlcharakteristik bei der ersten Resonanzfrequenz und eine zweite Abstrahlcharakteristiken bei der zweiten Resonanzfrequenz, aufweist, wobei Abstrahlcharakteristik bedeutet, dass die durch das Schwingsystem abgestrahlte Schallamplitude pro Steradiant von dem Winkel zwischen der Verbindungsachse (11) zwischen einem Punkt, an dem die Schallamplitude erfasst wird, zu einem Aufpunkt der Flächennormale (14) zur Oberfläche (2a) einerseits und der entsprechenden Flächennormale (14) zur Oberfläche (2a) des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) andererseits abhängt.
6. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch,
dass eine erste ebene Querschnittsfläche eines Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k), das insbesondere als Montagering (6) aus- gebildet ist, die senkrecht zur Flächennormale einer Oberfläche des Montageelementes (6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) ist, eine andere Form hat als eine zweite ebene Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2), die ebenfalls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist und
dass der Flächenschwerpunkt der Oberfläche des Montageelementes (6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) gegenüber dem Flächenschwerpunkt einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) versetzt ist.
7. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallabstrahlachse (11) des Schwingsystems nicht parallel zur die Oberflächennormalen (14,15) der ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist.
8. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens eine Öffnung (9,9b,9c,9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung unterhalb des Schwingelements (2) aufweist.
9. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Gitterstruktur hexagonal oder quadratisch ist, die Gittersymmetrie also vier oder sechszählig ist.
10. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens ein Längenmaß aufweist, das ein ganzzahliges (k-faches) Vielfaches der mittleren Schallwel- lenlänge (λ) im Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) geteilt durch vier ist (k* /4).
11. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens eine akustische Abzweigleitung und/oder einer akustische Stichleitung (SL1,SL2) aufweist.
12. Ultraschall-Transducer mit einem Schwingsystem einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Transducer (TR) zumindest eine weitere Struktur im Gehäuseboden aufweist, die ein Muster von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen aufweist, das bei translatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des Gehäusebodens (lb) um zumindest einen n2-fachen ersten Abstand a3 und/oder einen m2-fachen zweiten Abstand a4 , wobei n2 und m2 ganze Zahlen sind, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet ist, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter bildet.
13. Ultraschall-Transducer mit einem Schwingsystem einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Transducer (TR) zumindest eine weitere Struktur im Gehäuseboden aufweist, die ein Muster von Vertiefungen (17) und/oder Erhöhungen (17) und/oder Öffnungen aufweist, das bei rotatorischer Verschiebung längs einer Oberfläche des Gehäusebodens (lb) um zumindest einen n3-fachen zweiten Winkel θ3, wobei n3 eine ganz Zahl ist, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet wird, also insbesondere ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter bildet.
14. Schaltung zur Ansteuerung eines Schwingsystems einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch,
dass die Schaltung eine Ansteuerschaltung (USctr) zumindest als Teilschaltung aufweist, dass die Ansteuerschaltung (USctr) über eine erste elektrische Leitung (DRV1) und eine zweite elektrische Leitung (DRV2) direkt und übertragerlos mit dem piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems elektrisch verbunden ist,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) ein elektrisches spannungsmodu- liertes Sendesignal mit einer Sendefrequenz über die erste Leitung (DRV1) und die zweite Leitung (DRV2) an das piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems anlegen kann,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens einen ersten Inverter bestehend aus mindestens einem ersten Transistor (Tl) umfasst, der mit einem ersten Sendesignal (Oia) angesteuert wird, und mindestens einem zweiten Transistor (T3) umfasst, der mit einem komplementären ersten Sendesignal (Oib) angesteuert wird,
wobei der erste Inverter die zweite Leitung (DRV2) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) treibt,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens einen zweiten Inverter bestehend aus mindestens einem zweiten Transistor (T2) umfasst, der mit einem zweiten Sendesignal (02a), das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal (Oia) sein kann, angesteuert wird, und mindestens einem vierten Transistor (T4) umfasst, der mit einem komplementären zweiten Sendesignal (02b), das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal (Oib) sein kann, angesteuert wird,
wobei der zweite Inverter die erste Leitung (DRV1) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) treibt,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) die Sendesignale (Oia, ib, 2a, 2b) während des Empfangs die Transistoren (T1,T2,T3,T4) zumindest zeitweise abschaltet,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine erste Sendefrequenz erzeugen kann, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die erste Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt, und dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine zweite Sendefrequenz gegebenenfalls auch gleichzeitig zur ersten Sendefrequenz erzeugen kann, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die zweite Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt.
Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR), mit
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) mit dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mechanisch verbunden ist,
wobei die mechanische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems und dem Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) als Klebung mittels eines Klebers und/oder als Lötung und/oder als Schweißung ausgebildet ist, und
wobei das Schwingelement (2) dazu vorgesehen ist, mittels eines elastischen Klebers (3) mechanisch mit einem Gehäuse (1,1a, lc) eines Ultraschall-Transducers (TR) verbunden zu werden, wobei die kürzeste Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt des piezoelektrischen Schwingelements (2) zu dem Gehäuse (1,1a, lc) durch den elastischen Kleber (3) verläuft,
g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,
dass das Schwingsystem bei Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) durch einen Ansteuerschaltkreis zumindest zwei oder mehr voneinander verschiedene mechanische Resonanzfrequenzen, eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfre- quenz und gegebenenfalls weitere Resonanzfrequenzen, die voneinander verschieden sind, aufweist,
dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens ein Muster von Öffnungen (10) auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) und/oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) und/oder Erhöhungen (10b) auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) aufweist, das bei rotatorischer Verschiebung um eine Symmetrieachse längs einer Oberfläche des Montageelementes (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) um zumindest einen n4-fachen ersten Winkel n4*$i, wobei n4 eine ganze Zahl ist, zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet ist, also insbesondere ein ein- oder zweidimensionales rotatorisches Gitter auf einer Oberfläche des Montageelements (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) bildet, und
dass das Frequenzverhältnis definiert als Quotient des Betrags der zweiten Resonanzfrequenz und des Betrags der ersten Resonanzfrequenz von dem ersten Winkel $i abhängt.
16. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, dass der Ultraschall-Transducer zumindest zwei voneinander verschiedene Güten oder Resonanzbandbreiten, eine erste Güte oder erste Resonanzbandbreite bei der ersten Resonanzfrequenz einerseits und eine zweite Güte oder zweite Resonanzbandbreite bei der zweiten Resonanzfrequenz andererseits, aufweist.
17. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet dadurch, dass der Ultraschall-Transducer zumindest zwei voneinander verschiedene Abstrahlcharakteristiken, eine erste Abstrahlcharakteristiken bei der ersten Resonanzfrequenz und eine zweite Abstrahlcharakteristiken bei der zweiten Resonanzfrequenz, aufweist, wobei Abstrahlcharakteristik be- deutet, dass die durch das Schwingsystem abgestrahlte Schallamplitude pro Steradiant von dem Winkel zwischen der Verbindungsachse zwischen einem 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,6k) auf der anderen Seite abhängt.
18. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer (TR) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet dadurch,
dass eine erste ebene Querschnittsfläche eines Montageelements (6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k), das insbesondere als Montagering (6) ausgebildet ist, die senkrecht zur Flächennormale einer Oberfläche des Montageelementes (6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k), insbesondere des Montagerings (6), ist, eine andere Form hat als eine zweite ebene Querschnittsfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2), die ebenfalls senkrecht zur Flächennormale einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist und
dass der Flächenschwerpunkt der Oberfläche des Montageelementes (6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) gegenüber dem Flächenschwerpunkt einer ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) versetzt ist.
19. Schwingsystem für einen Ultraschall-Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet dadurch, dass die Schallabstrahlachse (11) des Schwingsystems nicht parallel zur die Oberflächennormalen (14,15) der ersten oder zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (2) ist.
20. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens eine Öffnung (9, 9b, 9c, 9d) und/oder Aussparung und/oder Vertiefung unterhalb des Schwingelements (2) aufweist.
21. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens ein Längenmaß aufweist, das ein ganzzahliges (k-faches) Vielfaches der mittleren Schallwellenlänge (λ) im Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) geteilt durch vier ist (k* /4) .
22. Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) für ein Schwingsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Montageelement (6,6b,6c,6d,6e,6i,6j,6k) mindestens eine akustische Abzweigleitung und/oder einer akustische Stichleitung (SL1 , SL2) aufweist.
23. Schaltung zur Ansteuerung eines Schwingsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch,
dass die Schaltung eine Ansteuerschaltung (USctr) zumindest als Teilschaltung aufweist ,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) über eine erste elektrische Leitung (DRV1) und eine zweite elektrische Leitung (DRV2) direkt und übertragerlos mit dem piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems elektrisch verbunden ist,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) ein elektrisches spannungsmodu- liertes Sendesignal mit einer Sendefrequenz über die erste Leitung (DRV1) und die zweite Leitung (DRV2) an das piezoelektrischen Schwingelement (2) des Schwingsystems anlegen kann,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens einen ersten Inverter bestehend aus mindestens einem ersten Transistor (Tl) umfasst, der mit einem ersten Sendesignal (Oia) angesteuert wird, und mindestens einem zweiten Transistor (T3) umfasst, der mit einem komplementären ersten Sendesignal (Oib) angesteuert wird, wobei der erste Inverter die zweite Leitung (DRV2) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) treibt,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens einen zweiten Inverter bestehend aus mindestens einem zweiten Transistor (T2) umfasst, der mit einem zweiten Sendesignal (02a), das insbesondere gegenläufig zum ersten Sendesignal (Oia) sein kann, angesteuert wird, und mindestens einem vierten Transistor (T4) umfasst, der mit einem komplementären zweiten Sendesignal (02b), das insbesondere gegenläufig zum komplementären ersten Sendesignal (Oib) sein kann, angesteuert wird,
wobei der zweite Inverter die erste Leitung (DRV1) zur direkten übertragerlosen differentiellen Ansteuerung des piezoelektrischen Schwingelements (2) treibt,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) die Sendesignale (Oia,(l ib,<l 2a,<l 2b) während des Empfangs die Transistoren (T1,T2,T3,T4) zumindest zeitweise abschaltet,
dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine erste Sendefrequenz erzeugen kann, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die erste Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt, und dass die Ansteuerschaltung (USctr) mindestens eine zweite Sendefrequenz gegebenenfalls auch gleichzeitig zur ersten Sendefrequenz erzeugen kann, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Leitung (DRV1) und der zweiten Leitung (DRV2) moduliert wird und die die zweite Resonanzfrequenz des Schwingsystems anregt.
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