WO2020030535A1 - Ultrasonic transducer with resonance chamber - Google Patents

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WO2020030535A1
WO2020030535A1 PCT/EP2019/070847 EP2019070847W WO2020030535A1 WO 2020030535 A1 WO2020030535 A1 WO 2020030535A1 EP 2019070847 W EP2019070847 W EP 2019070847W WO 2020030535 A1 WO2020030535 A1 WO 2020030535A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic transducer
resonance chamber
plate
piezo element
facing
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/070847
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Schumann
Simon Weissenmayer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2020030535A1 publication Critical patent/WO2020030535A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0666—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface used as a diaphragm

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer with a piezo element, a plate and a cup-shaped part, which comprises a wall part, a bottom part which is designed as a membrane, and an opening, the
  • Piezo element is applied to the bottom part of the cup-shaped part, and wherein the plate forms a resonance space together with the cup-shaped part and serves as the rear wall of the resonance space.
  • Suitable sensors for detecting the surroundings of the vehicle are, in particular, ultrasonic sensors.
  • Ultrasonic sensors emit an ultrasonic signal and detect objects reflected in the surroundings of the vehicle
  • Ultrasonic echoes From the time that elapses from the transmission of the ultrasound signal to the reception of an ultrasound echo, and the known time
  • a piezoelectric element is particularly suitable for generating and receiving an ultrasound signal.
  • An ultrasound sensor usually comprises an ultrasound transducer, which is cup-shaped.
  • a piezo element is arranged as an ultrasound receiver or transmitter on a bottom of the cup-shaped ultrasound transducer.
  • An ultrasonic sensor also includes other electronic components such as circuits that are used to supply energy or to control serve the ultrasonic sensor and at least one circuit board that is used to carry the electronic components.
  • Ultrasound signals can decay as quickly as possible and the reception of ultrasound signals is made possible, the interior of the cup-shaped ultrasound transducer is usually covered with a damping material such as e.g.
  • Embodiments of ultrasonic transducers are also known in the prior art, which are provided with an integrated resonance chamber.
  • An ultrasonic transducer with a housing, a reflecting section and a piezoelectric body is known from document EP 2 306 447 A2, the reflecting section being designed as a resonance space.
  • the ultrasonic transducer comprises a piezo element, a plate and a cup-shaped part.
  • the cup-shaped part has an opening, a wall part and a bottom part, the bottom part being designed as a membrane.
  • the plate forms a resonance space together with the cup-shaped part, the plate serving as the rear wall of the resonance space.
  • the piezo element serving as an ultrasonic receiver or transmitter is applied to a side of the base part facing the resonance chamber.
  • the plate is a printed circuit board.
  • a printed circuit board is a carrier for electronic components. It is used for the mechanical fastening of electronic components of the ultrasonic transducer and the electrical connection between the piezo element and the
  • the electronic components of the ultrasonic transducer include
  • an electrical circuit that serves to excite the piezo element
  • a temperature sensor that is used to detect the temperature of the piezo element
  • the resonance chamber of the ultrasonic transducer is used and a heating element which is used to adjust the temperature of the resonance chamber of the ultrasonic transducer, etc.
  • the circuit board also has a sound-hard design and is therefore suitable as a sound-reflecting rear wall of the resonance room. This is particularly advantageous since no additional components are required to build up the resonance room.
  • the ultrasonic transducer can thus be manufactured inexpensively.
  • the distance between the plate and the piezo element is preferably an odd multiple of 1/4 of the
  • the odd multiple can be selected from a range from 1 to 20, preferably from 1 to 10, particularly preferably from 3 to 5.
  • the distance preferably deviates by less than 1/16 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/32 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the sound wavelength.
  • the sound wavelength is the wavelength of the sound for which the ultrasound transducer is designed. During operation of the ultrasound transducer, it is therefore provided to excite the piezo element to emit a signal at a frequency which is given by the speed of sound in air divided by the sound wavelength.
  • the echoes of the previously transmitted signal received by the ultrasound transducer have the same frequency and thus the same sound wavelength, or are shifted somewhat due to the Doppler effect.
  • the wall part of the pot-shaped part can be made of a reverberant material such as e.g. Plastic, ceramic or metal may be formed, the modulus of elasticity or the compression modulus of the material and the thickness of the material being chosen to be sufficiently large to ensure the mechanical strength or to prevent the cylinder from buckling.
  • the material preferably has a modulus of elasticity greater than 1 GPa.
  • the material particularly preferably has a modulus of elasticity greater than 10 GPa.
  • the wall part is preferably made of a metal such as e.g. Aluminum or aluminum alloys formed, the wall part by contacting the metal
  • Piezo element is preferably connected to ground.
  • a layer of metal such as e.g.
  • the wall part of the cup-shaped part has a web which can be introduced, for example, by extrusion during the production of the wall part.
  • the plate is preferably arranged on the web.
  • the plate can be positively, non-positively or materially connected to the web.
  • the plate is preferably integrally connected to the web, for example by adhesive.
  • the plate can be electrically conductively connected to the web or the wall part. This can be done by designing the adhesive as a conductive adhesive. This is particularly advantageous if the wall part is made of metal and if a layer of metal is applied to the side of the plate facing the resonance space. Since the wall part by a
  • Damping element which is formed for example from silicone foam, silicone paste or tar paste, applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber.
  • the damping element can be designed as a layer with a low layer thickness, high viscosity and a sound-hard shape.
  • an open-pore foam layer with a layer thickness of y 4 is the
  • the layer thickness should deviate from the layer thickness of y 4 of the sound wavelength by less than 1/16 of the sound wavelength, preferably by less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/64 of the sound wavelength.
  • Damping element together with the open-pore foam layer applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber.
  • the damping element and the open-pore foam layer are arranged such that the damping element is applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber and that the open-pore foam layer is applied to a side of the
  • a temperature sensor for detecting the temperature in the resonance chamber is attached to the side of the plate facing the resonance chamber.
  • the transmission frequency can be set according to the temperature in the resonance room and thus the wavelength is kept constant. An optimal amplification effect in the resonance room is thus achieved.
  • a heating element such as a heating resistor, is used to maintain a desired temperature and thus optimal setting of the resonance frequency attached to the side of the plate facing the resonance chamber.
  • Ultrasonic transducer according to the invention comprises.
  • An ultrasonic sensor usually includes other electronic components such as e.g. Circuits used for
  • Ultrasonic sensors are integrated on the at least one circuit board, which faces the opening of the cup-shaped part. This circuit board then serves as the rear wall of the resonance chamber of the ultrasonic transducer. The installation space of the ultrasonic sensor is thus reduced and the manufacturing costs of the ultrasonic sensor are consequently reduced.
  • the transmission frequency is selected such that a distance between the plate and the piezo element or, if an above-mentioned damping element is present, the damping element
  • the sound wavelength is given by the speed of sound in air and the selected transmission frequency. The speed of sound and the distance can change slightly when the temperature changes.
  • the transmission frequency is the temperature of the resonance room of the
  • the temperature of the resonance chamber of the ultrasonic transducer is adapted to the transmitter frequency by heating.
  • Increasing the sensitivity of the sensor means that either the sound pressure can be reduced with the same range of the sensor, or a maximum range is increased with unchanged sound pressure.
  • the senor can be manufactured more cost-effectively, since there is no need for expensive electronic components for generating the high sound pressure.
  • the costs for producing an ultrasonic sensor can be further reduced using the ultrasonic transducer according to the invention.
  • At least one circuit board is used in an ultrasonic sensor, which is used to carry electronic components. Since the
  • Printed circuit boards also have a sound-hardy design, they are suitable as a sound-reflecting rear wall in a resonance room. By using the printed circuit board as the rear wall of the resonance room, additional components for building a resonance room for the ultrasound transducer are not necessary. Thus, the cost of manufacturing the ultrasonic sensor is reduced.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of a
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of an ultrasonic transducer 10 according to the invention with a resonance chamber 30.
  • the ultrasonic transducer 10 comprises a cup-shaped part 20, which has a wall part 22, a bottom part 24, which is designed as a membrane, and an opening 26.
  • the ultrasound transducer 10 further comprises a plate 14, which together with the cup-shaped part 20 form the resonance chamber 30.
  • the plate 14 serves as the rear wall of the resonance chamber 30.
  • the ultrasound transducer 10 further comprises a piezo element 12, which is applied to a side of the bottom part 24 of the cup-shaped part 20 directed towards the resonance chamber 30.
  • the plate 14 is a printed circuit board of the ultrasonic transducer 10.
  • Printed circuit boards have a sound-hard design and are therefore suitable as a sound-reflecting rear wall of the resonance chamber 30. This is particularly advantageous since no additional components are required to build the resonance chamber 30.
  • the ultrasonic transducer 10 can be manufactured inexpensively.
  • the ultrasound transducer 10 can be part of an ultrasound sensor.
  • Ultrasonic sensor includes other electronic components such as
  • the electronic components of the ultrasonic transducer 10 can be used together with the other electronic components of the
  • Ultrasonic sensor on the at least one circuit board of the ultrasonic transducer 10, which faces the opening 26 of the cup-shaped part 20, are integrated.
  • this circuit board then serves as the rear wall of the resonance chamber 30 of the ultrasound transducer 10. The installation space of the ultrasound sensor is thus reduced and the manufacturing costs of the ultrasound sensor are consequently reduced.
  • a distance L between the plate 14 and the piezo element 12 is preferably an odd multiple of 1/4 of the
  • the odd multiple can be selected from a range from 1 to 20, preferably from 1 to 10, particularly preferably from 3 to 5.
  • the distance preferably deviates by less than 1/16 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/32 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the turn length.
  • the sound wavelength is the wavelength of the sound for which the ultrasound transducer 10 is designed. During operation of the ultrasound transducer 10, it is therefore provided to excite the piezo element 12 with a frequency which is given by the
  • the echoes of the previously emitted signal received by the ultrasonic transducer 10 have the same frequency and thus the same sound wavelength, or are somewhat shifted due to the Doppler effect.
  • the wall part 22 of the cup-shaped part 20 can be made of a reverberant material such as e.g. Plastic, ceramic or metal may be formed, which
  • the modulus of elasticity or the compression modulus of the material and the thickness of the material is selected to be sufficiently large to ensure the mechanical strength or to prevent the cylinder from buckling.
  • the material preferably has a modulus of elasticity greater than 1 GPa.
  • the material particularly preferably has a modulus of elasticity greater than 10 GPa.
  • the wall part 22 is preferably made of a metal such as e.g. Aluminum or aluminum alloys are formed, the wall part 22 being grounded by contacting the piezo element 12, not shown here.
  • Resonance chamber 30 facing side of the plate 14 may be applied.
  • a Faraday cage can thus be formed by this metallic layer and the cup-shaped part 20.
  • the resonance chamber 30 can be hemispherical or parabolic.
  • a damping element 16 which is formed, for example, from silicone foam, silicone paste or tar paste, is applied to one
  • Resonance chamber 30 directed side of the piezo element 12 applied.
  • the damping element 16 in the form of a layer with less Layer thickness, high viscosity and reverberant expression.
  • the distance L between the plate 14 and the piezo element 12 is to be understood as the distance between the plate 14 and the damping element 16.
  • the initial vibration amplitude of the piezo element 12 can be reduced by lowering the sound pressure. This results in a shortening of the swing-out time of the piezo element 12 and thus the dead time is reduced.
  • the dead time can be reduced by applying a counter voltage to the piezo element 12 after an ultrasound signal has been sent.
  • Ultrasonic transducers 10 can be used alone or in combination.
  • the resonance chamber 30 is usually filled with air.
  • the resonance chamber 30 can be filled with other gaseous media.
  • an open-pore foam layer 18 with a layer thickness of 1/4 of the sound wavelength is applied to a side of the damping element 16 directed towards the resonance chamber 30.
  • the layer thickness of the open-pore foam layer 18 should be less than 1/16 of the sound wavelength, preferably less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably less than 1/64 of the
  • the distance L between the plate 14 and the piezo element 12 contains the layer thickness of the open-pore foam layer 18, but not the layer thickness of the damping element 16.
  • a temperature sensor 32 for detecting the temperature of the resonance chamber 30 is attached to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30.
  • the transmission frequency can be set according to the temperature in the resonance chamber 30 and the wavelength is thus kept constant.
  • a heating element 34 e.g. a heating resistor attached to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of an ultrasound transducer 10 with a resonance chamber 30.
  • Embodiment which is shown in Figure 1.
  • an open-pore foam layer 18 with a layer thickness of 1/4 of the sound wavelength is applied directly to a side of the piezo element 12 directed towards the resonance chamber 30, the layer thickness the open-pore foam layer 18 by less than 1/16 of the sound wavelength, preferably by less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/64 of the
  • Sound wavelength should deviate from the layer thickness by 1/4 of the sound wavelength.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of an ultrasound transducer 10 with a resonance chamber 30.
  • the basic structure of the resonance chamber 30 of the second embodiment of the ultrasonic transducer 10 is the same as that of the first and second embodiments explained above.
  • the wall part 22 of the cup-shaped part 20 of the ultrasound transducer 10 has a web 28 in the third embodiment.
  • the web 28 can be introduced during the production of the wall part 22 of the cup-shaped part 20, for example by extrusion.
  • the plate 14 is arranged on the web 28.
  • the plate 14 can be positively, non-positively or materially connected to the web 28.
  • the plate 14 is preferably integrally connected to the web 28, for example by adhesive.
  • a layer of metal can be applied to the side of plate 14 facing resonance chamber 30.
  • the wall part 22 is preferably also formed from metal.
  • the plate 14 can be electrically connected to the web 28 or the wall part 22. This can be done, for example, by designing the adhesive as a conductive adhesive. This is particularly advantageous if the wall part 22 is made of metal and if a layer of metal is applied to the side of the plate 14 facing the resonance space 30. Since the wall part 22 is grounded by contacting the piezo element 12, which is not shown here, and is electrically connected to the layer of metal applied to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30, this results in a closed Faraday cage, which acts as an EMC -Shield is used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The invention relates to an ultrasonic transducer (10) comprising a piezoelectric element (12), a board (14), and a pot-shaped part (20) comprising a wall part (22), a bottom part (24) embodied as a membrane, and an opening (26), wherein the piezoelectric element (12) is applied to the bottom part (24) of the pot-shaped part (20), and wherein the board (14) together with the pot-shaped part (20) forms a resonance chamber (30) and acts as the rear wall of the resonance chamber (30). According to the invention, the board (14) is a printed circuit board.

Description

Ultraschallwandler mit Resonanzraum  Ultrasonic transducer with resonance room
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Piezoelement, einer Platte und einem topfförmigen Teil, welches ein Wandteil, ein Bodenteil, das als eine Membran ausgebildet ist, und eine Öffnung umfasst, wobei das The invention relates to an ultrasonic transducer with a piezo element, a plate and a cup-shaped part, which comprises a wall part, a bottom part which is designed as a membrane, and an opening, the
Piezoelement auf dem Bodenteil des topfförmigen Teils aufgebracht ist, und wobei die Platte zusammen mit dem topfförmigen Teil einen Resonanzraum bildet und als Rückwand des Resonanzraums dient. Piezo element is applied to the bottom part of the cup-shaped part, and wherein the plate forms a resonance space together with the cup-shaped part and serves as the rear wall of the resonance space.
Stand der Technik State of the art
In modernen Fahrzeugen wird üblicherweise eine Vielzahl von Sensoren eingesetzt, mit denen die Umgebung des Fahrzeugs erfasst wird. Geeignete Sensoren zur Erfassung der Umgebung des Fahrzeugs sind insbesondere Ultraschallsensoren. Ultraschallsensoren senden ein Ultraschallsignal aus und detektieren von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs reflektierte A large number of sensors with which the surroundings of the vehicle are detected are usually used in modern vehicles. Suitable sensors for detecting the surroundings of the vehicle are, in particular, ultrasonic sensors. Ultrasonic sensors emit an ultrasonic signal and detect objects reflected in the surroundings of the vehicle
Ultraschallechos. Aus der Zeit, die von der Aussendung des Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Ultraschallechos vergeht, sowie der bekannten Ultrasonic echoes. From the time that elapses from the transmission of the ultrasound signal to the reception of an ultrasound echo, and the known time
Schallgeschwindigkeit, kann auf die Entfernung des Objekts geschlossen werden. Speed of sound, can be deduced from the distance of the object.
Zur Erzeugung und Empfang eines Ultraschalsignals eignet sich insbesondere ein piezoelektrisches Element. A piezoelectric element is particularly suitable for generating and receiving an ultrasound signal.
Ein Ultraschallsensor umfasst üblicherweise einen Ultraschallwandler, der topfförmig ausgebildet ist. Im Innenraum des topfförmigen Ultraschallwandlers ist ein Piezoelement als Ultraschallempfänger bzw. -sender auf einem Boden des topfförmigen Ultraschallwandlers angeordnet. An ultrasound sensor usually comprises an ultrasound transducer, which is cup-shaped. In the interior of the cup-shaped ultrasound transducer, a piezo element is arranged as an ultrasound receiver or transmitter on a bottom of the cup-shaped ultrasound transducer.
Ein Ultraschallsensor umfasst ferner auch weitere elektronische Komponenten wie z.B. Schaltungen, die zur Energieversorgung oder zur Steuerung/Regelung des Ultraschallsensors dienen und mindestens eine Leiterplatte, die zum Tragen der elektronischen Komponenten verwendet wird. An ultrasonic sensor also includes other electronic components such as circuits that are used to supply energy or to control serve the ultrasonic sensor and at least one circuit board that is used to carry the electronic components.
Damit eine Schwingung des Ultraschallwandlers nach dem Senden von So that an oscillation of the ultrasonic transducer after sending
Ultraschallsignalen möglichst schnell abklingen kann und der Empfang von Ultraschallsignalen ermöglicht wird, wird der Innenraum des topfförmigen Ultraschallwandlers üblicherweise mit einem Dämpfungsmaterial wie z.B. Ultrasound signals can decay as quickly as possible and the reception of ultrasound signals is made possible, the interior of the cup-shaped ultrasound transducer is usually covered with a damping material such as e.g.
Fermasil ausgeschäumt. Fermasil foamed.
Im Stand der Technik sind auch Ausführungsformen von Ultraschallwandlern bekannt, die mit einem integrierten Resonanzraum versehen sind. Embodiments of ultrasonic transducers are also known in the prior art, which are provided with an integrated resonance chamber.
Aus dem Dokument EP 2 306 447 A2 ist ein Ultraschallwandler mit einem Gehäuse, einem reflektierenden Abschnitt und einem piezoelektrischen Körper bekannt, wobei der reflektierende Abschnitt als ein Resonanzraum ausgebildet ist. An ultrasonic transducer with a housing, a reflecting section and a piezoelectric body is known from document EP 2 306 447 A2, the reflecting section being designed as a resonance space.
Das Dokument US 5,303,210 offenbart einen Schallwandler mit einem integrierten Resonanzraum. Dabei weist der Schallwandler eine bewegliche Elektrode auf, welche den Resonanzraum abschließt. Document US 5,303,210 discloses a sound transducer with an integrated resonance room. The sound transducer has a movable electrode that closes off the resonance chamber.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es wird ein Ultraschallwandler mit einem Resonanzraum vorgeschlagen. Dabei umfasst der Ultraschallwandler ein Piezoelement, eine Platte und ein topfförmiges Teil. Das topfförmige Teil weist eine Öffnung, ein Wandteil und ein Bodenteil auf, wobei das Bodenteil als eine Membran ausgebildet ist. Die Platte bildet zusammen mit dem topfförmigen Teil einen Resonanzraum, wobei die Platte als Rückwand des Resonanzraums dient. Das als Ultraschallempfänger oder -sender dienende Piezoelement ist dabei auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Bodenteils aufgebracht. An ultrasonic transducer with a resonance space is proposed. The ultrasonic transducer comprises a piezo element, a plate and a cup-shaped part. The cup-shaped part has an opening, a wall part and a bottom part, the bottom part being designed as a membrane. The plate forms a resonance space together with the cup-shaped part, the plate serving as the rear wall of the resonance space. The piezo element serving as an ultrasonic receiver or transmitter is applied to a side of the base part facing the resonance chamber.
Erfindungsgemäß ist die Platte eine Leiterplatte. Eine Leiterplate ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung elektronischer Komponenten des Ultraschallwandlers und elektrischen Verbindung zwischen dem Piezoelement und den According to the invention, the plate is a printed circuit board. A printed circuit board is a carrier for electronic components. It is used for the mechanical fastening of electronic components of the ultrasonic transducer and the electrical connection between the piezo element and the
elektronischen Komponenten. electronic components.
Zu den elektronischen Komponenten des Ultraschallwandlers zählen The electronic components of the ultrasonic transducer include
beispielweise eine elektrische Schaltung, die zur Anregung des Piezoelements dient, ein Temperaturfühler, der zum Erfassen der Temperatur des For example, an electrical circuit that serves to excite the piezo element, a temperature sensor that is used to detect the temperature of the
Resonanzraums des Ultraschallwandlers dient und ein Heizelement, welches zum Einstellen der Temperatur des Resonanzraums des Ultraschallwandlers dient, usw. The resonance chamber of the ultrasonic transducer is used and a heating element which is used to adjust the temperature of the resonance chamber of the ultrasonic transducer, etc.
Die Leiterplate besitzt auch eine schallharte Ausprägung und eignet sich daher, als schallreflektierende Rückwand des Resonanzraums. Dies ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen Bauteile zum Aufbau des Resonanzraums benötigt sind. Somit kann der Ultraschallwandler kostengünstig hergestellt werden. The circuit board also has a sound-hard design and is therefore suitable as a sound-reflecting rear wall of the resonance room. This is particularly advantageous since no additional components are required to build up the resonance room. The ultrasonic transducer can thus be manufactured inexpensively.
Damit in dem Resonanzraum eine konstruktive Interferenz für die empfangende akustische Welle entstehen kann, ist der Abstand zwischen der Plate und dem Piezoelement bevorzugt ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der So that constructive interference for the receiving acoustic wave can arise in the resonance space, the distance between the plate and the piezo element is preferably an odd multiple of 1/4 of the
Schallwellenlänge. Das ungeradzahlige Vielfache kann ausgewählt werden aus einem Bereich von 1 bis 20, bevorzugt von 1 bis 10, besonders bevorzugt von 3 bis 5. Der Abstand weicht bevorzugt um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge vom ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Schallwellenlänge und besonders bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge vom ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Schallwellenlänge ab. Sound wavelength. The odd multiple can be selected from a range from 1 to 20, preferably from 1 to 10, particularly preferably from 3 to 5. The distance preferably deviates by less than 1/16 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/32 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the sound wavelength.
Bei der Schallwellenlänge handelt es sich um die Wellenlänge des Schalls, für die der Ultraschallwandler ausgelegt ist. Im Betrieb des Ultraschallwandlers ist es daher vorgesehen, zum Aussenden eines Signals das Piezoelement mit einer Frequenz anzuregen, die gegeben ist durch die Schallgeschwindigkeit in Luft geteilt durch die Schallwellenlänge. Die vom Ultraschallwandler empfangenen Echos des zuvor ausgesendeten Signals weisen die gleiche Frequenz und damit die gleiche Schallwellenlänge auf, oder sind aufgrund des Dopplereffekts etwas verschoben. The sound wavelength is the wavelength of the sound for which the ultrasound transducer is designed. During operation of the ultrasound transducer, it is therefore provided to excite the piezo element to emit a signal at a frequency which is given by the speed of sound in air divided by the sound wavelength. The echoes of the previously transmitted signal received by the ultrasound transducer have the same frequency and thus the same sound wavelength, or are shifted somewhat due to the Doppler effect.
Das Wandteil des topfförmigen Teils kann aus einem schallharten Material wie z.B. Kunststoff, Keramik oder Metall gebildet sein, wobei das Elastizitätsmodul bzw. das Kompressionsmodul des Materials und die Dicke des Materials ausreichend groß gewählt wird, damit die mechanische Festigkeit gewährleistet wird bzw. ein Einknicken des Zylinders ausgeschlossen werden kann. Bevorzugt weist das Material ein Elastizitätsmodul größer als 1 GPa auf. Besonders bevorzugt weist das Material ein Elastizitätsmodul größer als 10 GPa auf. The wall part of the pot-shaped part can be made of a reverberant material such as e.g. Plastic, ceramic or metal may be formed, the modulus of elasticity or the compression modulus of the material and the thickness of the material being chosen to be sufficiently large to ensure the mechanical strength or to prevent the cylinder from buckling. The material preferably has a modulus of elasticity greater than 1 GPa. The material particularly preferably has a modulus of elasticity greater than 10 GPa.
Bevorzugt ist das Wandteil aus einem Metall wie z.B. Aluminium oder Aluminium- Legierungen gebildet, wobei das Wandteil durch eine Kontaktierung des The wall part is preferably made of a metal such as e.g. Aluminum or aluminum alloys formed, the wall part by contacting the
Piezoelements bevorzugt auf Masse gelegt ist. Piezo element is preferably connected to ground.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schicht aus Metall wie z.B. In a preferred embodiment, a layer of metal such as e.g.
Aluminium auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite der Platte Aluminum on one side of the plate facing the resonance chamber
aufgebracht. applied.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Wandteil des topfförmigen Teils einen Steg auf, welcher bei der Herstellung des Wandteils beispielweise durch Fließpressen eingebracht werden kann. Die Platte wird in dieser Ausführungsform bevorzugt auf dem Steg angeordnet. Dabei kann die Platte formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Steg verbunden sein. Bevorzugt ist die Platte stoffschlüssig wie beispielweise durch Kleber mit dem Steg verbunden. In a further preferred embodiment, the wall part of the cup-shaped part has a web which can be introduced, for example, by extrusion during the production of the wall part. In this embodiment, the plate is preferably arranged on the web. The plate can be positively, non-positively or materially connected to the web. The plate is preferably integrally connected to the web, for example by adhesive.
Die Platte kann mit dem Steg bzw. dem Wandteil elektrisch leitfähig verbunden werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Kleber als ein Leitkleber ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Wandteil aus Metall gebildet ist und wenn eine Schicht aus Metall auf der zum Resonanzraum gerichteten Seite der Platte aufgebracht ist. Da das Wandteil durch eine The plate can be electrically conductively connected to the web or the wall part. This can be done by designing the adhesive as a conductive adhesive. This is particularly advantageous if the wall part is made of metal and if a layer of metal is applied to the side of the plate facing the resonance space. Since the wall part by a
Kontaktierung des Piezoelements auf Masse gelegt ist und mit der auf der zum Resonanzraum gerichteten Seite der Platte aufgebrachten Schicht aus Metall elektrisch verbunden ist, entsteht dadurch eine geschlossener Faraday'scher Käfig, der als EMV-Abschirmung (elektromagnetische Verträglichkeit) dient. Contacting of the piezo element is placed on ground and with the layer of metal applied to the side of the plate facing the resonance chamber electrically connected, this creates a closed Faraday cage, which serves as EMC shielding (electromagnetic compatibility).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein According to an advantageous embodiment of the invention, a
Dämpfungselement, welches beispielweise aus Silikonschaum, Silikonpaste oder Teerpaste gebildet ist, auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Piezoelements aufgebracht. Dabei kann das Dämpfungselement als eine Schicht mit geringer Schichtdicke, hoher Viskosität und schallharter Ausprägung ausgebildet sein. Damping element, which is formed for example from silicone foam, silicone paste or tar paste, applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber. The damping element can be designed as a layer with a low layer thickness, high viscosity and a sound-hard shape.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine offenporige Schaumstoffschicht mit einer Schichtdicke von y4 der According to another advantageous embodiment of the invention, an open-pore foam layer with a layer thickness of y 4 is the
Schallwellenlänge auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Sound wavelength on one side of the
Piezoelements aufgebracht. Die Schichtdicke sollte um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge, bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge und besonders bevorzugt um weniger als 1/64 der Schallwellenlänge von der Schichtdicke von y4 der Schallwellenlänge abweichen. Piezo element applied. The layer thickness should deviate from the layer thickness of y 4 of the sound wavelength by less than 1/16 of the sound wavelength, preferably by less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/64 of the sound wavelength.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das According to a further advantageous embodiment of the invention, this is
Dämpfungselement zusammen mit der offenporigen Schaumstoffschicht auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Piezoelements aufgebracht. Dabei sind das Dämpfungselement und die offenporige Schaumstoffschicht so angeordnet, dass das Dämpfungselement auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Piezoelements aufgebracht ist und dass die offenporige Schaumstoffschicht auf einer zum Resonanzraum gerichteten Seite des Damping element together with the open-pore foam layer applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber. The damping element and the open-pore foam layer are arranged such that the damping element is applied to a side of the piezo element facing the resonance chamber and that the open-pore foam layer is applied to a side of the
Dämpfungselements aufgebracht ist. Damping element is applied.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur im Resonanzraum auf der zum Resonanzraum gerichteten Seite der Platte angebracht. Dabei kann die Sendefrequenz gemäß der Temperatur im Resonanzraum eingestellt werden und somit wird die Wellenlänge konstant gehalten. Ein optimaler Verstärkungseffekt im Resonanzraum wird somit erzielt. In a preferred embodiment, a temperature sensor for detecting the temperature in the resonance chamber is attached to the side of the plate facing the resonance chamber. The transmission frequency can be set according to the temperature in the resonance room and thus the wavelength is kept constant. An optimal amplification effect in the resonance room is thus achieved.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein Heizelement wie z.B. ein Heizwiderstand zum Erhalten einer gewünschten Temperatur und damit zum optimalen Einstellen der Resonanzfrequenz auf der zum Resonanzraum gerichteten Seite der Platte angebracht. In another preferred embodiment, a heating element, such as a heating resistor, is used to maintain a desired temperature and thus optimal setting of the resonance frequency attached to the side of the plate facing the resonance chamber.
Es wird ferner ein Ultraschallsensor vorgeschlagen, welcher den An ultrasonic sensor is also proposed, which the
erfindungsmäßigen Ultraschallwandler umfasst. Ultrasonic transducer according to the invention comprises.
Ein Ultraschallsensor umfasst üblicherweise außer einem Ultraschallwandler noch weitere elektronische Komponenten wie z.B. Schaltungen, die zur An ultrasonic sensor usually includes other electronic components such as e.g. Circuits used for
Energieversorgung oder zur Steuerung/Regelung des Ultraschallsensors dienen. Power supply or to control / regulate the ultrasonic sensor.
Vorteilhaft können die elektronischen Komponenten des Ultraschallwandlers zusammen mit den weiteren elektronischen Komponenten des The electronic components of the ultrasound transducer can advantageously be used together with the other electronic components of the
Ultraschallsensors auf der mindestens einen Leiterplatte, die der Öffnung des topfförmigen Teils zugewandt ist, integriert werden. Dabei dient diese Leiterplatte dann als Rückwand des Resonanzraums des Ultraschallwandlers. Somit wird der Bauraum des Ultraschallsensors reduziert und die Herstellungskosten des Ultraschallsensors werden folglich reduziert. Ultrasonic sensors are integrated on the at least one circuit board, which faces the opening of the cup-shaped part. This circuit board then serves as the rear wall of the resonance chamber of the ultrasonic transducer. The installation space of the ultrasonic sensor is thus reduced and the manufacturing costs of the ultrasonic sensor are consequently reduced.
Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers There will also be a method of operating an ultrasonic transducer
vorgeschlagen. Dabei wird die Sendefrequenz so gewählt, dass ein Abstand zwischen der Platte und dem Piezoelement oder falls ein oben erwähntes Dämpfungselement vorhanden ist, dem Dämpfungselement einem proposed. The transmission frequency is selected such that a distance between the plate and the piezo element or, if an above-mentioned damping element is present, the damping element
ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Schallwellenlänge mit einer Abweichung bevorzugt um weniger als 1/16 und besonders bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge entspricht. Die Schallwellenlänge ist dabei durch die Schallgeschwindigkeit in Luft und die gewählte Sendefrequenz gegeben. Die Schallgeschwindigkeit sowie der Abstand können sich bei Veränderung der Temperatur leicht verändern. odd multiples of 1/4 of the sound wavelength with a deviation preferably less than 1/16 and particularly preferably less than 1/32 of the sound wavelength. The sound wavelength is given by the speed of sound in air and the selected transmission frequency. The speed of sound and the distance can change slightly when the temperature changes.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsmäßigen Verfahrens wird die Sendefrequenz an die Temperatur des Resonanzraums des In a preferred embodiment of the inventive method, the transmission frequency is the temperature of the resonance room of the
Ultraschallwandlers angepasst. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsmäßigen Adjusted ultrasonic transducer. In a further preferred embodiment of the invention
Verfahrens wird die Temperatur des Resonanzraums des Ultraschallwandlers durch Heizen an die Senderfrequenz angepasst. The temperature of the resonance chamber of the ultrasonic transducer is adapted to the transmitter frequency by heating.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee basiert auf dem physikalischen Prinzip eines Kundt’schen Rohres, nämlich einem halbseitig geöffneten The idea on which the invention is based is based on the physical principle of a Kundt tube, namely a half-open one
Resonanzraum, wobei die in den Innenraum abgestrahlten akustischen Wellen auf das Piezoelement zurück reflektiert werden und mit der Schwingung des Piezoelements konstruktiv interferieren. Im Resonanzraum bildet sich eine stehende Welle aus. Dadurch wird ein frequenzabhängiger Verstärkungseffekt generiert, was zu einer höheren Schwingamplitude des Piezoelements führt. Dies hat zur Folge, dass die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird und sehr schwache Ultraschallsignale können detektiert werden. Resonance space, wherein the acoustic waves emitted into the interior are reflected back onto the piezo element and interfere constructively with the vibration of the piezo element. A standing wave forms in the resonance room. This generates a frequency-dependent amplification effect, which leads to a higher vibration amplitude of the piezo element. As a result, the sensitivity of the sensor is increased and very weak ultrasound signals can be detected.
Die Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors führt dazu, dass entweder bei gleicher Reichweite des Sensors der Schalldruck reduziert werden kann, oder bei unverändertem Schalldruck eine maximale Reichweite erhöht wird. Increasing the sensitivity of the sensor means that either the sound pressure can be reduced with the same range of the sensor, or a maximum range is increased with unchanged sound pressure.
Bei der ersten Variante kann der Sensor kostengünstiger hergestellt werden, da auf kostenintensive elektronische Komponenten zur Erzeugung des hohen Schalldrucks verzichtet werden kann. In the first variant, the sensor can be manufactured more cost-effectively, since there is no need for expensive electronic components for generating the high sound pressure.
Darüber hinaus können die Kosten zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler weiter reduziert werden. In addition, the costs for producing an ultrasonic sensor can be further reduced using the ultrasonic transducer according to the invention.
Üblicherweise ist in einem Ultraschallsensor mindestens eine Leiterplatte verbaut, die zum Tragen von elektronischen Komponenten dient. Da die Usually, at least one circuit board is used in an ultrasonic sensor, which is used to carry electronic components. Since the
Leiterplatten auch eine schallharte Ausprägung besitzen, eignen sie sich, als schallreflektierende Rückwand in einem Resonanzraum. Durch den Einsatz der Leiterplatte als Rückwand des Resonanzraums sind zusätzlicher Bauteile zum Aufbau eines Resonanzraums für den Ultraschallwandler nicht nötig. Somit werden die Kosten zur Herstellung des Ultraschallsensors reduziert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Printed circuit boards also have a sound-hardy design, they are suitable as a sound-reflecting rear wall in a resonance room. By using the printed circuit board as the rear wall of the resonance room, additional components for building a resonance room for the ultrasound transducer are not necessary. Thus, the cost of manufacturing the ultrasonic sensor is reduced. Brief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
Ultraschallwandlers mit einem Resonanzraum,  Ultrasonic transducer with a resonance chamber,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a
Ultraschallwandlers mit einem Resonanzraum und  Ultrasonic transducer with a resonance room and
Figur 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of a
Ultraschallwandlers mit einem Resonanzraum.  Ultrasonic transducer with a resonance room.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 10 mit einem Resonanzraum 30. FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of an ultrasonic transducer 10 according to the invention with a resonance chamber 30.
Der Ultraschallwandler 10 umfasst ein topfförmiges Teil 20, welches ein Wandteil 22, ein Bodenteil 24, das als eine Membran ausgebildet ist, und eine Öffnung 26 aufweist. The ultrasonic transducer 10 comprises a cup-shaped part 20, which has a wall part 22, a bottom part 24, which is designed as a membrane, and an opening 26.
Der Ultraschallwandler 10 umfasst weiterhin eine Platte 14, die zusammen mit dem topfförmigen Teil 20 den Resonanzraum 30 bilden. Dabei dient die Platte 14 als Rückwand des Resonanzraums 30. Der Ultraschallwandler 10 umfasst ferner ein Piezoelement 12, das auf einer zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite des Bodenteils 24 des topfförmigen Teils 20 aufgebracht ist. The ultrasound transducer 10 further comprises a plate 14, which together with the cup-shaped part 20 form the resonance chamber 30. The plate 14 serves as the rear wall of the resonance chamber 30. The ultrasound transducer 10 further comprises a piezo element 12, which is applied to a side of the bottom part 24 of the cup-shaped part 20 directed towards the resonance chamber 30.
Erfindungsgemäß ist die Platte 14 eine Leiterplatte des Ultraschallwandlers 10. Leiterplatten besitzen eine schallharte Ausprägung und eignen sich daher, als schallreflektierende Rückwand des Resonanzraums 30. Dies ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen Bauteile zum Aufbau des Resonanzraums 30 benötigt sind. Somit kann der Ultraschallwandler 10 kostengünstig hergestellt werden. According to the invention, the plate 14 is a printed circuit board of the ultrasonic transducer 10. Printed circuit boards have a sound-hard design and are therefore suitable as a sound-reflecting rear wall of the resonance chamber 30. This is particularly advantageous since no additional components are required to build the resonance chamber 30. Thus, the ultrasonic transducer 10 can be manufactured inexpensively.
Der Ultraschallwandler 10 kann Teil eines Ultraschallsensors sein. Der The ultrasound transducer 10 can be part of an ultrasound sensor. The
Ultraschallsensor umfasst weitere elektronische Komponenten wie z.B. Ultrasonic sensor includes other electronic components such as
Schaltungen, die zur Energieversorgung des Ultraschallsensors dienen. Circuits that serve to power the ultrasonic sensor.
Dabei können die elektronischen Komponenten des Ultraschallwandlers 10 zusammen mit den weiteren elektronischen Komponenten des The electronic components of the ultrasonic transducer 10 can be used together with the other electronic components of the
Ultraschallsensors auf der mindestens einen Leiterplatte des Ultraschallwandlers 10, die der Öffnung 26 des topfförmigen Teils 20 zugewandt ist, integriert werden. Hierbei dient diese Leiterplatte dann als Rückwand des Resonanzraums 30 des Ultraschallwandlers 10. Somit wird der Bauraum des Ultraschallsensors reduziert und die Herstellungskosten des Ultraschallsensors werden folglich reduziert. Ultrasonic sensor on the at least one circuit board of the ultrasonic transducer 10, which faces the opening 26 of the cup-shaped part 20, are integrated. In this case, this circuit board then serves as the rear wall of the resonance chamber 30 of the ultrasound transducer 10. The installation space of the ultrasound sensor is thus reduced and the manufacturing costs of the ultrasound sensor are consequently reduced.
Um in dem Resonanzraum 30 eine konstruktive Interferenz für die empfangende akustische Welle zu erzeugen, ist ein Abstand L zwischen der Platte 14 und dem Piezoelement 12 bevorzugt ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der In order to generate a constructive interference for the receiving acoustic wave in the resonance chamber 30, a distance L between the plate 14 and the piezo element 12 is preferably an odd multiple of 1/4 of the
Schallwellenlänge. Das ungeradzahlige Vielfache kann ausgewählt werden aus einem Bereich von 1 bis 20, bevorzugt von 1 bis 10, besonders bevorzugt von 3 bis 5. Der Abstand weicht bevorzugt um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge und besonders bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge vom ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der Schallwendenlänge ab. Bei der Schallwellenlänge handelt es sich um die Wellenlänge des Schalls, für die der Ultraschallwandler 10 ausgelegt ist. Im Betrieb des Ultraschallwandlers 10 ist es daher vorgesehen, zum Aussenden eines Signals das Piezoelements 12 mit einer Frequenz anzuregen, die gegeben ist durch die Sound wavelength. The odd multiple can be selected from a range from 1 to 20, preferably from 1 to 10, particularly preferably from 3 to 5. The distance preferably deviates by less than 1/16 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/32 of the sound wavelength from the odd multiple of 1/4 of the turn length. The sound wavelength is the wavelength of the sound for which the ultrasound transducer 10 is designed. During operation of the ultrasound transducer 10, it is therefore provided to excite the piezo element 12 with a frequency which is given by the
Schallgeschwindigkeit in Luft geteilt durch die Schallwellenlänge. Speed of sound in air divided by the wavelength of sound.
Die vom Ultraschallwandler 10 empfangenen Echos des zuvor ausgesendeten Signals weisen die gleiche Frequenz und damit die gleiche Schallwellenlänge auf, oder sind aufgrund des Dopplereffekts etwas verschoben. The echoes of the previously emitted signal received by the ultrasonic transducer 10 have the same frequency and thus the same sound wavelength, or are somewhat shifted due to the Doppler effect.
Das Wandteil 22 des topfförmigen Teils 20 kann aus einem schallharten Material wie z.B. Kunststoff, Keramik oder Metall gebildet sein, wobei das The wall part 22 of the cup-shaped part 20 can be made of a reverberant material such as e.g. Plastic, ceramic or metal may be formed, which
Elastizitätsmodul bzw. das Kompressionsmodul des Materials und die Dicke des Materials ausreichend groß gewählt wird, damit die mechanische Festigkeit gewährleistet wird bzw. ein Einknicken des Zylinders ausgeschlossen werden kann. Bevorzugt weist das Material ein Elastizitätsmodul größer als 1 GPa auf. Besonders bevorzugt weist das Material ein Elastizitätsmodul größer als 10 GPa auf. Bevorzugt ist das Wandteil 22 aus einem Metall wie z.B. Aluminium oder Aluminium-Legierungen gebildet, wobei das Wandteil 22 durch eine hier nicht dargestellte Kontaktierung des Piezoelements 12 auf Masse gelegt ist. The modulus of elasticity or the compression modulus of the material and the thickness of the material is selected to be sufficiently large to ensure the mechanical strength or to prevent the cylinder from buckling. The material preferably has a modulus of elasticity greater than 1 GPa. The material particularly preferably has a modulus of elasticity greater than 10 GPa. The wall part 22 is preferably made of a metal such as e.g. Aluminum or aluminum alloys are formed, the wall part 22 being grounded by contacting the piezo element 12, not shown here.
Hierbei kann eine Schicht aus Metall wie z.B. Aluminium auf einer zum Here, a layer of metal such as Aluminum on one
Resonanzraum 30 gerichteten Seite der Platte 14 aufgebracht sein. Somit kann ein Faraday’scher Käfig durch diese metallische Schicht und den topfförmigen Teil 20 gebildet werden. Resonance chamber 30 facing side of the plate 14 may be applied. A Faraday cage can thus be formed by this metallic layer and the cup-shaped part 20.
Denkbar sind auch andere Geometrien des Resonanzraums 30, die zu einem ähnlichen Verstärkungseffekt durch Interferenz führen. Beispielweise kann der Resonanzraum 30 halbkugel- oder parabelförmig ausgebildet sein. Other geometries of the resonance chamber 30 are also conceivable, which lead to a similar amplification effect through interference. For example, the resonance chamber 30 can be hemispherical or parabolic.
Um die Totzeit des Ultraschallwandlers 10, in der kein Echo empfangen werden kann, zu reduzieren, ist ein Dämpfungselement 16, welches beispielsweise aus Silikonschaum, Silikonpaste oder Teerpaste gebildet ist, auf eine zum In order to reduce the dead time of the ultrasonic transducer 10, in which no echo can be received, a damping element 16, which is formed, for example, from silicone foam, silicone paste or tar paste, is applied to one
Resonanzraum 30 gerichtete Seite des Piezoelements 12 aufgebracht. Hierbei kann das Dämpfungselement 16 in Form von einer Schicht mit geringer Schichtdicke, hoher Viskosität und schallharter Ausprägung ausgestaltet sein. Hierbei ist unter dem Abstand L zwischen der Platte 14 und dem Piezoelement 12 der Abstand zwischen der Platte 14 und dem Dämpfungselement 16 zu verstehen. Resonance chamber 30 directed side of the piezo element 12 applied. Here, the damping element 16 in the form of a layer with less Layer thickness, high viscosity and reverberant expression. The distance L between the plate 14 and the piezo element 12 is to be understood as the distance between the plate 14 and the damping element 16.
Es gibt noch weitere Möglichkeiten zur Reduzierung der Totzeit. Beispielweise kann die initiale Schwingamplitude des Piezoelements 12 durch Absenkung des Schalldrucks reduziert werden. Dadurch folgt eine Abkürzung der Ausschwingzeit des Piezoelements 12 und somit wird die Totzeit reduziert. There are other ways to reduce dead time. For example, the initial vibration amplitude of the piezo element 12 can be reduced by lowering the sound pressure. This results in a shortening of the swing-out time of the piezo element 12 and thus the dead time is reduced.
Alternativ kann die Totzeit dadurch reduziert werden, dass eine Gegenspannung an das Piezoelement 12 nach Senden eines Ultraschallsignals angelegt wird. Alternatively, the dead time can be reduced by applying a counter voltage to the piezo element 12 after an ultrasound signal has been sent.
Die oben aufgeführten Möglichkeiten zur Reduzierung der Totzeit des The above options for reducing the dead time of the
Ultraschallwandlers 10 können allein oder auch in Kombination verwendet werden. Ultrasonic transducers 10 can be used alone or in combination.
Üblicherweise ist der Resonanzraum 30 mit Luft gefüllt. Alternativ kann der Resonanzraum 30 mit anderen gasförmigen Medien gefüllt werden. The resonance chamber 30 is usually filled with air. Alternatively, the resonance chamber 30 can be filled with other gaseous media.
Zur Optimierung des Zusammenwirken zwischen dem Piezoelement 12 und dem im Resonanzraum 30 vorhandenen gasförmigen Medium ist eine offenporige Schaumstoffschicht 18 mit einer Schichtdicke von 1/4 der Schallwellenlänge auf eine zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite des Dämpfungselements 16 aufgebracht. Die Schichtdicke der offenporigen Schaumstoffschicht 18 sollte um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge, bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge und besonders bevorzugt um weniger als 1/64 der To optimize the interaction between the piezo element 12 and the gaseous medium present in the resonance chamber 30, an open-pore foam layer 18 with a layer thickness of 1/4 of the sound wavelength is applied to a side of the damping element 16 directed towards the resonance chamber 30. The layer thickness of the open-pore foam layer 18 should be less than 1/16 of the sound wavelength, preferably less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably less than 1/64 of the
Schallwellenlänge von der Schichtdicke von 1/4 der Schallwellenlänge abweichen. Sound wavelength deviate from the layer thickness by 1/4 of the sound wavelength.
Hierbei enthält der Abstand L zwischen der Platte 14 und dem Piezoelement 12 die Schichtdicke der offenporigen Schaumstoffschicht 18, jedoch nicht die Schichtdicke des Dämpfungselements 16. Um einen optimalen Verstärkungseffekt im Resonanzraum 30 zu erzielen, ist ein Temperaturfühler 32 zum Erfassen der Temperatur des Resonanzraums 30 auf die zum Resonanzraum 30 gerichtete Seite der Platte 14 angebracht. Dabei kann die Sendefrequenz gemäß der Temperatur im Resonanzraum 30 eingestellt werden und somit wird die Wellenlänge konstant gehalten. Here, the distance L between the plate 14 and the piezo element 12 contains the layer thickness of the open-pore foam layer 18, but not the layer thickness of the damping element 16. In order to achieve an optimal amplification effect in the resonance chamber 30, a temperature sensor 32 for detecting the temperature of the resonance chamber 30 is attached to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30. The transmission frequency can be set according to the temperature in the resonance chamber 30 and the wavelength is thus kept constant.
Um eine gewünschte Temperatur und damit die Resonanzfrequenz optimal einstellen zu können, ist ein Heizelement 34 wie z.B. ein Heizwiderstand, auf die zur Resonanzraum 30 gerichtete Seite der Platte 14 angebracht. In order to optimally set a desired temperature and thus the resonance frequency, a heating element 34, e.g. a heating resistor attached to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschallwandlers 10 mit einem Resonanzraum 30. FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of an ultrasound transducer 10 with a resonance chamber 30.
Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform ist prinzipiell gleich der The embodiment shown in Figure 2 is basically the same
Ausführungsform, welche in Figur 1 dargestellt ist. Im Unterschied dazu ist zur Optimierung des Zusammenwirken zwischen dem Piezoelement 12 und dem im Resonanzraum 30 vorhandenen gasförmigen Medium ist eine offenporige Schaumstoffschicht 18 mit einer Schichtdicke von 1/4 der Schallwellenlänge direkt auf einer zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite des Piezoelements 12 aufgebracht, wobei die Schichtdicke der offenporigen Schaumstoffschicht 18 um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge, bevorzugt um weniger als 1/32 der Schallwellenlänge und besonders bevorzugt um weniger als 1/64 der Embodiment, which is shown in Figure 1. In contrast to this, in order to optimize the interaction between the piezo element 12 and the gaseous medium present in the resonance chamber 30, an open-pore foam layer 18 with a layer thickness of 1/4 of the sound wavelength is applied directly to a side of the piezo element 12 directed towards the resonance chamber 30, the layer thickness the open-pore foam layer 18 by less than 1/16 of the sound wavelength, preferably by less than 1/32 of the sound wavelength and particularly preferably by less than 1/64 of the
Schallwellenlänge von der Schichtdicke von 1/4 der Schallwellenlänge abweichen sollte. Sound wavelength should deviate from the layer thickness by 1/4 of the sound wavelength.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Ultraschallwandlers 10 mit einem Resonanzraum 30. FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of an ultrasound transducer 10 with a resonance chamber 30.
Der prinzipielle Aufbau des Resonanzraums 30 der zweiten Ausführungsform des Ultraschallwandlers 10 ist gleich den der oben ausgeführten, ersten und zweiten Ausführungsformen. The basic structure of the resonance chamber 30 of the second embodiment of the ultrasonic transducer 10 is the same as that of the first and second embodiments explained above.
Im Unterschied zur mit Bezug zur Figuren 1 und 2 beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen weist das Wandteil 22 des topfförmigen Teils 20 des Ultraschallwandlers 10 in der dritten Ausführungsform einen Steg 28 auf. Der Steg 28 kann bei der Herstellung des Wandteils 22 des topfförmigen Teils 20 beispielweise durch Fließpressen eingebracht werden. Die Platte 14 ist dabei auf dem Steg 28 angeordnet. Dabei kann die Platte 14 formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Steg 28 verbunden. Bevorzugt ist die Platte 14 stoffschlüssig wie beispielweis durch Kleber mit dem Steg 28 verbunden. Auf der zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite der Platte 14 kann eine Schicht aus Metall aufgebracht werden. Bevorzugt ist das Wandteil 22 auch aus Metall gebildet. In contrast to the first and second embodiments described with reference to FIGS. 1 and 2, the wall part 22 of the cup-shaped part 20 of the ultrasound transducer 10 has a web 28 in the third embodiment. The web 28 can be introduced during the production of the wall part 22 of the cup-shaped part 20, for example by extrusion. The plate 14 is arranged on the web 28. The plate 14 can be positively, non-positively or materially connected to the web 28. The plate 14 is preferably integrally connected to the web 28, for example by adhesive. A layer of metal can be applied to the side of plate 14 facing resonance chamber 30. The wall part 22 is preferably also formed from metal.
Die Platte 14 kann mit dem Steg 28 bzw. dem Wandteil 22 elektrisch verbunden sein. Dies kann bespielweise dadurch erfolgen, dass der Kleber als ein Leitkleber ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Wandteil 22 aus Metall gebildet ist und wenn eine Schicht aus Metall auf der zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite der Platte 14 aufgebracht ist. Da das Wandteil 22 durch eine hier nicht dargestellte Kontaktierung des Piezoelements 12 auf Masse gelegt ist und mit der auf der zum Resonanzraum 30 gerichteten Seite der Platte 14 aufgebrachten Schicht aus Metall elektrisch verbunden ist, entsteht dadurch ein geschlossener Faraday'scher Käfig, der als EMV-Abschirmung dient. The plate 14 can be electrically connected to the web 28 or the wall part 22. This can be done, for example, by designing the adhesive as a conductive adhesive. This is particularly advantageous if the wall part 22 is made of metal and if a layer of metal is applied to the side of the plate 14 facing the resonance space 30. Since the wall part 22 is grounded by contacting the piezo element 12, which is not shown here, and is electrically connected to the layer of metal applied to the side of the plate 14 facing the resonance chamber 30, this results in a closed Faraday cage, which acts as an EMC -Shield is used.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch dieThe invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, it is within the
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. A variety of modifications possible within the scope of professional action.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Ultraschallwandler (10) umfassend ein Piezoelement (12), eine Platte (14) und ein topfförmiges Teil (20), welches ein Wandteil (22), ein Bodenteil (24), das als eine Membran ausgebildet ist, und eine Öffnung (26) umfasst, 1. Ultrasonic transducer (10) comprising a piezo element (12), a plate (14) and a cup-shaped part (20), which has a wall part (22), a bottom part (24), which is designed as a membrane, and an opening ( 26) includes
wobei das Piezoelement (12) auf dem Bodenteil (24) des topfförmigen Teils (20) aufgebracht ist und  wherein the piezo element (12) is applied to the base part (24) of the cup-shaped part (20) and
wobei die Platte (14) zusammen mit dem topfförmigen Teil (20) einen Resonanzraum (30) bildet und als Rückwand des Resonanzraums (30) dient, dadurch gekennzeichnet, dass  wherein the plate (14) together with the cup-shaped part (20) forms a resonance chamber (30) and serves as the rear wall of the resonance chamber (30), characterized in that
die Platte (14) eine Leiterplatte ist.  the plate (14) is a printed circuit board.
2. Ultraschallwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2. Ultrasonic transducer (10) according to claim 1, characterized in that
eine Schicht aus Metall auf einer zum Resonanzraum (30) gerichteten Seite der Platte (14) aufgebracht ist.  a layer of metal is applied to a side of the plate (14) facing the resonance chamber (30).
3. Ultraschallwandler (10) einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch 3. Ultrasonic transducer (10) one of claims 1 to 2, characterized
gekennzeichnet, dass  characterized that
das Wandteil (22) des topfförmigen Teils (20) aus Metall gebildet ist.  the wall part (22) of the cup-shaped part (20) is formed from metal.
4. Ultraschallwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Ultrasonic transducer (10) according to one of claims 1 to 3, characterized in that
das Wandteil (22) des topfförmigen Teils (20) einen Steg (28) aufweist, wobei die Platte (14) auf dem Steg (28) angeordnet ist.  the wall part (22) of the pot-shaped part (20) has a web (28), the plate (14) being arranged on the web (28).
5. Ultraschallwandler (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Ultrasonic transducer (10) according to one of claims 2 to 4, characterized in that
die aus Metall gebildete Schicht der Platte (14) mit dem Wandlteil (22) elektrisch leitfähig verbunden ist. the layer of the plate (14) formed from metal is electrically conductively connected to the conversion part (22).
6. Ultraschallwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 6. Ultrasonic transducer (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that
ein Dämpfungselement (16) auf einer zum Resonanzraum (30) gerichteten Seite des Piezoelements (12) aufgebracht ist.  a damping element (16) is applied to a side of the piezo element (12) facing the resonance chamber (30).
7. Ultraschallwandler (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Ultrasonic transducer (10) according to claim 6, characterized in that
eine offenporige Schaumstoffschicht (18) mit einer Schichtdicke von y4 der Schallwellenlänge, für die der Ultraschallwandler (10) ausgelegt ist, auf einer zum Resonanzraum (30) gerichteten Seite des an open-pore foam layer (18) with a layer thickness of y 4 of the sound wavelength, for which the ultrasonic transducer (10) is designed, on a side facing the resonance chamber (30)
Dämpfungselements (16) aufgebracht ist oder auf einer zum  Damping element (16) is applied or on a
Resonanzraum (30) gerichteten Seite des Piezoelements (12) aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke um weniger als 1/16 der Schallwellenlänge von der Schichtdicke von 1/4 der Schallwellenlänge abweicht.  Resonance chamber (30) facing side of the piezo element (12) is applied, the layer thickness deviating by less than 1/16 of the sound wavelength from the layer thickness of 1/4 of the sound wavelength.
8. Ultraschallwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 8. Ultrasonic transducer (10) according to one of claims 1 to 7, characterized in that
ein Temperaturfühler (32) auf der zum Resonanzraum (30) gerichteten Seite der Platte (14) angebracht ist.  a temperature sensor (32) is attached to the side of the plate (14) facing the resonance chamber (30).
9. Ultraschallwandler (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass 9. Ultrasonic transducer (10) according to claim 8, characterized in that
ein Heizelement (34) auf der zum Resonanzraum (30) gerichteten Seite der Platte (14) angebracht ist.  a heating element (34) is attached to the side of the plate (14) facing the resonance chamber (30).
10. Ultraschallsensor, welcher ein Ultraschallwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst. 10. Ultrasonic sensor, which comprises an ultrasonic transducer (10) according to one of claims 1 to 9.
11. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass 11. A method for operating an ultrasonic transducer (10) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that
die Sendefrequenz so gewählt wird, dass ein Abstand (L) zwischen der Platte (14) und dem Piezoelement (12) oder dem Dämpfungselement (16) einem ungeradzahligen Vielfachen von 1/4 der der Sendefrequenz entsprechenden Schallwellenlänge mit einer Abweichung von weniger als 1/16 der Schallwellenlänge entspricht. the transmission frequency is selected such that a distance (L) between the plate (14) and the piezo element (12) or the damping element (16) is an odd multiple of 1/4 of the transmission frequency corresponding sound wavelength with a deviation of less than 1/16 of the sound wavelength.
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