DE102009000379A1

DE102009000379A1 - Ultraschalltransducer für einen Näherungssensor

Info

Publication number: DE102009000379A1
Application number: DE102009000379A
Authority: DE
Inventors: Ray Rand Dayton Kalani; J.Shah Beavercreek Piyush
Original assignee: Hyde Park Electronics Inc Dayton; Hyde Park Electronics Inc
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-09-24
Also published as: US7804742B2; CN101499271B; CN101499271A; US20090189488A1

Abstract

Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Erfassen bzw. Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers. Der Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet ein Substratelement, eine piezokeramische Resonatorplatte, die auf einer ebenen Oberfläche des Substratelements benachbart zu einer Umfangskante des Substratelements gehaltert ist, und einen Koppler, der mit einer Oberfläche der Resonatorplatte verbunden ist, für das akustische Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit dem Koppler in Kontakt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultraschalltransducer und spezieller einen Ultraschalltransduceraufbau, der in einen Sensor eingebaut bzw. aufgenommen werden kann, um das Vorhandensein und/oder die Entfernung von Objekten zu erfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ultraschallmeßsysteme liefern eine effiziente und wirkungsvolle Methode zum Erfassen von Objekten, wie sie beispielsweise in automatischen industriellen Fertigungsprozessen verwendet werden können. Diese Sensoren erfordern die Verwendung eines Transducers, um Ultraschallsignale zu erzeugen. Beispielsweise erzeugt ein Transducer für solche Sensoren typischerweise ein Ultraschallsignal, das in Richtung eines Objektes übertragen wird, und ein Rücksignal oder reflektiertes Signal wird von dem Transducer erfaßt. Ein an den Transducer angeschlossener Prozessor verarbeitet das empfangene Signal und bestimmt das Vorhandensein eines Objekts und/oder den Abstand zu einem Objekt auf Basis der verstrichenen Zeit zwischen den übertragenen und den empfangenen Signalen.
Piezokeramische Ultraschalltransducer des Standes der Technik, wie z. B. diejenigen zur Verwendung in luftbasierten Time-of-Flight- bzw. Flugzeitanwendungen, wurden im allgemeinen so ausgestaltet, daß sie sehr gute, weitreichende Erfassungsfähigkeiten aufweisen. Bei der Ausgestaltung dieser Sensoren wurde es typischerweise als wünschenswert erachtet, den Q-Wert, d. h. die Resonanz, des Transducers zu maximieren und die Betriebsfrequenz zu minimieren. Ein hoher Q-Wert führt zu einer größeren Verstärkung eines zurückgegebenen bzw. zurückkehrenden Signals, und eine niedrige Frequenz dient dazu, die Abschwächung von Ultraschall in Luft zu reduzieren, da die Abschwächung eine Funktion der Frequenz ist. Solche Transducer gemäß dem Stand der Technik wurden typischerweise als dünne Scheiben aus keramischem Material ausgestaltet, die herkömmlicherweise den Vorteil eines hohen Q-Werts aufweisen.
Aus verschiedenen Gründen unterliegen die Verbesserung der Effizienz und die Reduzierung der Kosten für die Herstellung kreisförmiger Keramikscheiben Beschränkungen, was wiederum mögliche Kostenreduzierungen für Komponenten, die die Keramikscheiben beinhalten, wie z. B. in Sensoren eingebaute Transducer, begrenzt. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine alternative Ausgestaltung für einen Sensortransducer bereitzustellen, die eine Resonatorkomponente mit einem Formfaktor oder einer Form, der bzw. die zu einer effizienten Herstellung sowohl der Resonatorkomponente als auch des zusammengesetzten Transducers beiträgt, beinhalten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Abtasten bzw. Erfassen der Position von Objekten in der Nähe des Transducers bereitgestellt. Der Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet ein Substratelement mit einer ebenen Oberfläche und einer Umfangskante, eine benachbart zu der ebenen Oberfläche gehalterte piezokeramische Resonatorplatte und einen Koppler, der mit einer Oberfläche der Resonatorplatte verbunden ist, für das akustische Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit dem Koppler in Kontakt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers bereitgestellt. Der Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet ein Substratelement, welches eine Leiterplatte aufweist, die eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante definiert, und eine piezokeramische Resonatorplatte mit einer ebenen inneren Oberfläche, die auf der ebenen Oberfläche benachbart zur Umfangskante abgestützt bzw. gehaltert ist. Elektrische Kontakte werden zwischen der Leiterplatte und der Resonatorplatte bereitgestellt, um die Resonatorplatte mit einer Energieversorgung zu verbinden. Der Transducer weist weiterhin einen Koppler auf, welcher ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten beinhaltet, wobei sich die erste Seite schräg bzw. quer zu einer Oberfläche der Resonatorplatte erstreckt und mit dieser verbunden ist, für das akustische Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit der zweiten Seite des Kopplers in Kontakt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor, welcher einen Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet, zur Verwendung beim Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet ein Substratelement mit einer Leiterplatte, die eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante definiert, und einer rechteckigen piezokeramischen Resonatorplatte, die eine längliche große Abmessung und eine kleine Abmessung definiert. Die Resonatorplatte ist in freitragender bzw. einseitig angebrachter Beziehung auf dem Substratelement gehaltert, wobei sich ihre längliche große Abmessung von der Umfangskante des Substratelements erstreckt. Elektrische Kontakte werden zwischen der Leiterplatte und der Resonatorplatte bereitgestellt, um die Resonatorplatte mit einer Energieversorgung zu verbinden, wobei einer der elektrischen Kontakte eine freitragende Halterung für die Resonatorplatte auf dem Substratelement bildet. Der Sensor beinhaltet weiterhin einen scheibenförmigen Koppler, welcher ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten aufweist. Die erste Seite erstreckt sich schräg zu einer Oberfläche der Resonatorplatte und schließt an diese an. Der Koppler wird durch die Resonatorplatte akustisch angeregt, so daß er ein Signal zu einem Objekt in der Nähe des Kopplers überträgt, und der Koppler empfängt reflektierte Signale von dem Objekt und überträgt sie an die Resonatorplatte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl die Beschreibung mit Patentansprüchen abschließt, die die vorliegende Erfindung speziell darlegen und klar beanspruchen, wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Erfindung sich anhand der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verstehen läßt, worin gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
1 eine Seitenaufrißansicht eines Sensorsystems, welches einen Transduceraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, im Teilquerschnitt ist.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Transduceraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Kopplerendes des Transduceraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Montage einer Resonatorplatte an einem Leiterplattensubstrat für den Transduceraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Kopplerendes eines Transduceraufbaus gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine perspektivische Explosionsansicht der alternativen Ausführungsform von 5.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die ein Teil hiervon sind und in denen zur Veranschaulichung und nicht zu Zwecken der Beschränkung eine spezifische bevorzugte Ausführungsform gezeigt ist, in der die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, daß auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und daß Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
1, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt einen Ultraschallsensor 10 zum Feststellen bzw. Bestimmen des Vorhandenseins und der Entfernung eines Objektes 12 in der Nähe des Sensors 10. Der Sensor weist ein Gehäuse 14 und einen Transduceraufbau 16 auf und beinhaltet ein dämpfendes Material 18, welches den Transduceraufbau 16 innerhalb des Gehäuses 14 umgibt, wie weiter unten beschrieben wird.
Bezugnehmend auf 2 beinhaltet der Transduceraufbau 16 ein Substratelement 20, welches durch eine Leiterplatte definiert ist, eine Transducer- oder Resonatorplatte 22 und einen plattenartigen Koppler oder Kopplungsaufbau 24, der mit der Resonatorplatte 22 verbunden ist und sich schräg zu dieser erstreckt. Der Kopplungsaufbau 24 stellt eine Ultraschallschnittstelle zwischen der relativ kleinen Resonatorplatte 22 und einem Medium, wie Luft, welches den Raum zwischen dem Sensor 10 und dem Objekt 12 ausfüllt, bereit, wie in 1 durch den Bereich 15 dargestellt.
Die Resonatorplatte 22 kann aus jedem beliebigen geeigneten piezoelektrischen Material hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Resonatorplatte 22 eine piezokeramische Platte auf. Insbesondere kann die Resonatorplatte 22 aus einem Bleizirkonattitanat, wie PZT5A, hergestellt sein, welches beispielsweise von Morgan Electro Ceramics, Bedford, Ohio, erhalten werden kann. Wünschenswerte, mit einem piezokeramischen Material assoziierte Merkmale für die vorliegende Anwendung umfassen eine hohe mechanisch-elektrische Umwandlungseffizienz, eine im wesentlichen flache Temperaturantwort und einen relativ hohen mechanischen Qualitätsfaktor (Qm), der im vorliegenden Beispiel ungefähr 75 beträgt.
Unter Bezugnahme auf 3 weist der Kopplungsaufbau 24 eine beträchtliche Oberfläche für die Übertragung von Ultraschallenergie von der Resonatorplatte 22 auf das Medium auf. In der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet der Kopplungsaufbau 24 eine Membran 26, die eine erste Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 definiert. Die Membran 26 kann in Reaktion auf Vibrations- bzw. Schwingungsenergie von der Resonatorplatte 22 vibrieren. Die Membran 26 umfaßt ein steifes oder starres Material und kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein, einschließlich Metall, Kunststoff oder einem Polymer, z. B. einem geformten duroplastischen Polymer, wie einem Epoxidharz, jedoch nicht hierauf beschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Membran 26 aus einer dünnen Platte aus nichtrostendem Stahl hergestellt sein. Wie hier gezeigt, ist die Membran 26 der vorliegenden Ausführungsform ein dünnes oder plattenartiges, scheibenförmiges Teil, bei dem die Schwingungsenergie von der Resonatorplatte 22 im wesentlichen in einer Richtung verteilt ist, die zu dem Substratelement 20 senkrecht ist. Das heißt, die akustischen Schwingungssignale verlaufen entlang eines in Umfangsrichtung und radial von einer zentralen Position auf der Membran 26 geführten Pfades, die an einer Öffnung 30 in der Membran 26 definiert ist, zu einer äußeren Kante der Membran 26. Es versteht sich, daß die Membran 26 nicht auf ein scheibenförmiges Teil beschränkt ist und auch ein plattenartiges Teil aufweisen kann, welches andere Formen verkörpert.
Der Kopplungsaufbau 24 kann weiterhin ein Impedanzanpassungselement 32 aufweisen, welches hier als ein scheibenförmiges Element veranschaulicht ist, das über der Membran 26 positioniert ist. Das Impedanzanpassungselement 32 definiert eine zweite, nach außen weisende Seite 34 des Kopplungsaufbaus 24. Das Impedanzanpassungselement 32 beinhaltet ein Material, welches so ausgewählt ist, daß die Kopplung der Ultraschallenergie von der Resonatorplatte 22 zu dem Medium 15 maximiert wird, und typischerweise ein anderes Material ist als das Material der Membran 26. Beispielsweise kann das Impedanzanpassungselement 32 ein relativ elastisches bzw. nachgiebiges Material, wie Gummi, ein Epoxidharzmaterial, ein Polymer, Glas oder Kombinationen und/oder Gemische dieser Materialien beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Verbindung mit einem Luftmedium beinhaltet das Impedanzanpassungselement 32 ein mit Glas gefülltes Epoxidharzelement. Es versteht sich, daß, obwohl zu Zwecken der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform auf Luft als Medium Bezug genommen wird, das Material und der Aufbau des Impedanzanpassungselements 32 so gewählt werden können, daß das Impedanzanpassungselement 32 für eine Kopplung mit anderen Medien, einschließlich Flüssigkeiten oder anderen Gasen, ausgestaltet ist. Darüber hinaus ist das Impedanzanpassungselement 32 nicht auf die veranschaulichte scheibenförmige Ausgestaltung beschränkt und kann auch andere Formen haben, wie beispielsweise eine Form, die zur Form der Membran 26 paßt.
Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, weist das Impedanzanpassungselement 32 einen Aussparungsbereich 31 für die Aufnahme der Membran 26 auf. Die Oberfläche der Membran 26, die der ersten Seite 28 gegenüberliegt, ist so angeordnet, daß eine Oberfläche 33 des Impedanzanpassungselements 32 mit der Aussparung 31 in Eingriff ist, für die Übertragung von Ultraschallsignalen zwischen der Membran 26 und dem Impedanzanpassungselement 32.
Des weiteren versteht es sich, daß es in manchen Anwendungen des hier beschriebenen Sensors 10 möglich ist, den Kopplungsaufbau 24 ohne ein Impedanzanpassungselement 32 auszugestalten. Beispielsweise kann der Kopplungsaufbau 24 mit dem Material der Membran 26 ausgestaltet sein, welches so gewählt ist, daß eine zufriedenstellende Kopplung bereitgestellt wird, um Ultraschallenergie in effizienter Weise an das Medium zu übertragen und von diesem zu empfangen.
Ein Isolationselement 35 ist benachbart zu der ersten Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 angeordnet, d. h. hinter dem Impedanzanpassungselement 32 und der Membran 26. Das Isolationselement 35 besteht bevorzugt aus einem elastischen bzw. nachgiebigen Material und stellt eine Isolationsschicht oder Barriere zum Isolieren zumindest der Membran 26 und bevorzugt sowohl der Membran 26 als auch des Impedanzanpassungselements 32 gegenüber dem dämpfenden Material 18 innerhalb des Gehäuses 14 bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das dämpfende Material 18 ein Urethanmaterial, und das Isolationselement 35 beinhaltet ein Silikonkautschukmaterial, d. h. einen Silikonschaumgummi, und hat eine kreisförmige Ausgestaltung mit einer zentralen Öffnung 37. Das Isolationselement 35 hat vorzugsweise einen Außendurchmesser, der im wesentlichen zum Durchmesser des Kopplungsaufbaus 24 paßt.
Wie in 2 zu sehen ist, ist das Substratelement 20 als längliches rechteckiges Element ausgestaltet mit einer oberen ebenen Oberfläche 36, einer unteren ebenen Oberfläche 38 und einer Umfangskante 40, die durch einander gegenüberliegende, im allgemeinen parallele Seitenkanten 42, 44 bzw. durch einander gegenüberliegende, im allgemeinen parallele vordere und hintere Kanten 46, 48 definiert wird. Ein Zungen- oder Laschenabschnitt 50 erstreckt sich in freitragender Beziehung von der vorderen Kante 46 in der Mitte zwischen den Seitenkanten 42, 44.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die Resonatorplatte 22 so gezeigt, daß sie ein längliches plattenartiges Element mit einer im wesentlichen ebenen inneren Oberfläche 52, einer im wesentlichen ebenen äußeren Oberfläche 54, einer vorderen Kante 56, einer hinteren Kante 58 und einander gegenüberliegenden Seitenkanten 60, 62 aufweist. Eine große Abmessung D₁ ist zwischen den vorderen und hinteren Kanten 56, 58 definiert, und eine kleine Abmessung D₂ ist zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenkanten 60, 62 definiert. Die Resonatorplatte 22 ist so angeordnet, daß ihre innere Oberfläche 52 auf oder neben der oberen Oberfläche 36 des Substratelements 20 liegt und daß ihre große Abmessung D₁ sich von der vorderen Kante 46 des Substratelements 20 über den Laschenabschnitt 50 erstreckt. Die vordere Kante 56 der Resonatorplatte 22 liegt neben einer vorderen Kante 59 des Laschenabschnitts 59. Die kleine Abmessung D₂ der Resonatorplatte 22 ist im wesentlichen gleich einer Breite des Laschenabschnitts 50, gemessen zwischen einander gegenüberliegenden Seiten 64 und 66 des Laschenabschnitts 50.
Die Resonatorplatte 22 ist parallel zu dem Substratelement 20 ausgerichtet und ist vorzugsweise auf einem ersten Kontaktblock 68 positioniert, der auf dem Substratelement 20 liegt, um einen elektrischen Kontakt zwischen der inneren Oberfläche 52 und dem ersten Kontaktblock 68 zu bilden. Der Kontaktblock 68 weist vorzugsweise einen erhöhten Abschnitt auf, der sich oberhalb des Substratelements 20 erstreckt, um die Resonatorplatte 22 in freitragender Beziehung beabstandet von dem Substratelement 20 zu haltern. Somit gibt es vorzugsweise einen Luftspalt zwischen der inneren Oberfläche 52 der Resonatorplatte 22 und der oberen Oberfläche 36 des Substratelements 20. Zusätzlich ist ein Oberdraht 70 vorgesehen, welcher sich zwischen der äußeren Oberfläche 54 und einem zweiten Kontaktblock 72 auf dem Substratelement 20 erstreckt. Die ersten und zweiten Kontaktblöcke 68, 72 weisen Leiter auf, die elektrisch an eine Energieversorgung 74 und den Prozessor 76 (siehe 2) auf dem Substratelement 20 angeschlossen sind. Die elektrischen Anschlüsse bzw. Verbindungen von den Kontaktblöcken 68, 72 können durch jeweilige elektrische Leiterbahnen 69, 73 gebildet werden, die in die Leiterplatte eingeätzt sind, welche das Substratelement 20 definiert, siehe 2 und 4. Es versteht sich, daß entweder die Energieversorgung 74 oder der Prozessor 76 oder beide durch eine Leiterplattenstruktur auf dem Substratelement 20 in herkömmlicher Weise definiert sein können oder alternativ von dem Substratelement 20 entfernt angeordnet sein können.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform einen einzelnen Träger beinhaltet, d. h. den ersten Kontaktblock 68, um die Resonatorplatte 22 zu haltern, kann die Resonatorplatte 22 auch von einem oder mehreren zusätzlichen Trägern gehaltert werden. Beispielsweise kann die Resonatorplatte 22 auf einem Paar von Trägern gehaltert sein, die benachbart zu in Längsrichtung verlaufenden Enden der Resonatorplatte 22 positioniert sind, wobei wenigstens einer der Träger vorzugsweise einen elektrischen Kontakt mit der elektrischen Leiterbahn 69 bildet.
In einem Verfahren zum Zusammensetzen bzw. Montieren des Transduceraufbaus 16 kann die Resonatorplatte 22 mittels einer Vorrichtung, die einen Aufnahme- und Absetzvorgang ausführt, um die Resonatorplatte 22 auf dem Laschenabschnitt 50 zu positionieren, und sich über den ersten Kontaktblock 68 erstreckt, an dem Substratelement 20 angebracht werden. Der Oberdraht 70 kann in einem automatisch ablaufenden Vorgang, wie z. B. einem Vorgang, bei dem eine Mehrzahl von vorbereiteten Oberdrähten 70 in Form einer herkömmlichen Band-Spulen-Zuführung zugeführt wird, an dem Substratelement 20 angebracht werden. Jeder aufeinanderfolgende Oberdraht 70 kann so angeordnet werden, daß ein vertikaler Abschnitt desselben mit dem zweiten Kontaktblock 72 in Eingriff kommt und daß ein horizontaler Abschnitt des Oberdrahts 70 über der oberen Oberfläche der Resonatorplatte 22 in Eingriff ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche 54 und dem elektrischen Leiter 73 der Leiterplatte über den zweiten Kontaktblock 72 zu bilden, siehe 4. In der veranschaulichten Ausführungsform ist ein Loch in dem zweiten Kontaktblock 72 für die Aufnahme des vertikalen Abschnitts des Oberdrahts 70 gezeigt, jedoch ist ein solches Loch nicht erforderlich, um die vorliegende Erfindung zu implementieren.
Das Anbringen der Resonatorplatte 22 an dem Substratelement 20 kann mit einem Anbringungsverfahren durchgeführt werden, welches das Anordnen anderer Komponenten auf dem Substratelement 20 umfaßt. Speziell können die Resonatorplatte 22 und der Oberdraht 70 zusammen mit anderen Komponenten, einschließlich derjenigen, die den Prozessor 76 und die Energieversorgung 74 bilden, auf der das Substratelement 20 definierenden Leiterplatte angeordnet werden und einem herkömmlichen Reflow-Oberflächenmontage-Prozeß (Surface Mount Technology – SMT) unterzogen werden, um die Komponenten mit der Leiterplatte zu verbinden. Somit wird durch den SMT-Reflow-Prozeß eine Seite der Resonatorplatte 22 direkt an der Leiterplatte des Substratelements 20 angebracht. Des weiteren stellt das Anbringen der Resonatorplatte 22 mittels SMT-Reflow eine Anbringung mit hoher Integrität bereit, die im Vergleich zu bekannten Anbringungsformen und Verfahren, die typischerweise für das Anbringen von piezokeramischen Ultraschallkomponenten gemäß Stand der Technik an Leiterplatten oder ähnlichen Befestigungsstrukturen verwendet werden, im allgemeinen weniger Teile und weniger Arbeitsaufwand erfordert.
Im Anschluß an das Anbringen der Resonatorplatte 22 an dem Substratelement 20 wird der Kopplungsaufbau 24 zumindest an der äußeren Oberfläche 54 der Resonatorplatte 22 so ange bracht, daß er neben der vorderen Kante 56 liegt und sich in einer orthogonalen Beziehung zur Ebene der Resonatorplatte 22 erstreckt. insbesondere ist die zentrale Öffnung 30 in der Membran 26 über dem Ende der Resonatorplatte 22 positioniert, und die vordere Kante 56 der Resonatorplatte 22 ist so positioniert, daß sie mit einer inneren Fläche 33 des Impedanzanpassungselements 32 in Eingriff oder dicht dazu benachbart ist. Zusätzlich ist das Isolationselement 35 an der zweiten Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 angeordnet, wobei sich die Resonatorplatte 22 durch seine zentrale Öffnung 37 erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Membran 26 und das Impedanzanpassungselement 32 mit der Resonatorplatte 22 so verbunden, daß die innere Oberfläche 33 des Impedanzanpassungselements 32 mit der vorderen Kante 56 der Resonatorplatte 22 verbunden ist. Darüber hinaus erfolgt typischerweise auch eine Verbindung zwischen den anderen Oberflächen der Resonatorplatte 22, d. h. inneren und äußeren Oberflächen 52 und 54 und Seitenkanten 60, 60, den Oberflächen 36, 38, 59, 64 und 66 an dem Laschenabschnitt 50 und der Oberfläche der Membran 26 neben der Öffnung 30. Mit anderen Worten, alle zueinander benachbarten Oberflächen der Membran 26, der Resonatorplatte 22 und des Laschenabschnitts 50 können durch die Verbindung miteinander verbunden werden. Typischerweise kann die Verbindung über eine Epoxidharzbindung 80 bewerkstelligt werden, die am Ende der Resonatorplatte 22 angebracht ist und so eine mechanische Verbindung zwischen den Komponenten Resonatorplatte 22 und Membran 26 und Impedanzanpassungselement 32 des Kopplungsaufbaus 24 bildet und das Isolationselement 35 an der zweiten Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 anklebt. Die Epoxidharzbindung 80 fixiert zusätzlich den Kopplungsaufbau 24 an dem Laschenabschnitt 50 des Substratelements 20, so daß der Kopplungsaufbau 24 von dem Substratelement 20 gehaltert wird, wobei die zweite Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 neben der vorderen Kante 46 des Substratelements 20 liegt und hierzu beabstandet ist.
Dementsprechend wird die Übertragung von Ultraschallenergie zwischen der Resonatorplatte 22 und dem Kopplungsaufbau 24 durch die mechanische Bindung vereinfacht, die durch die Epoxidharzbindung 80 gebildet wird. Durch die Kopplung mit der Resonatorplatte 22 zeigt der Kopplungsaufbau 24 bei den Betriebsfrequenzen der Resonatorplatte 22, die in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform im Bereich von ungefähr 100 kHz bis ungefähr 1 MHz liegen können, eine gute Übertragung und Impedanzanpassung an das Medium.
Ein Vorteil des Aufbaus des hier beschriebenen Transduceraufbaus 16 betrifft den Aufbau der Resonatorplatte 22 und ihre Anbringung an dem Substratelement 20. Speziell ist die geometrische Ausgestaltung der Resonatorplatte 22 derart, daß eine Mehrzahl der Resonatorplatten 22 aus einer einzigen Bahn aus keramischem Material erhalten werden kann. Insbesondere kann eine Bahn aus keramischem Material, wie beispielsweise PZT5A, so hergestellt und gerillt oder geschnitten werden, daß eine Mehrzahl von einzelnen rechteckigen Stücken entsteht, die im wesentlichen den gewünschten Abmessungen der Resonatorplatte 22 entsprechen. Somit können mehrere Resonatorplatten 22 mit minimalem Abfall- oder Restmaterial hergestellt werden, verglichen mit der Bildung von scheibenförmigen Transducerresonatoren gemäß Stand der Technik, die mehr Schritte erfordern, um die gewünschte Form zu bilden, und bei denen auch die Materialien weniger effizient eingesetzt werden.
Weiterhin vereinfacht, wie oben angemerkt, die Anordnung der Resonatorplatte 22 parallel zu dem Substratelement 20 den automatischen Aufbau des Transduceraufbaus 16, wie beispielsweise mittels eines herkömmlichen Aufnahme- und Absetzvorgangs. Im Gegensatz dazu erfordern bekannte Montagevorgänge für den Aufbau von Transducerresonatoren, die nicht in paralleler Beziehung zur Befestigungsstruktur, d. h. der Leiterplatte, angeordnet werden, häufig eine Bearbeitung des keramischen Resonators durch den Benutzer, um den Resonator in effizienter Weise relativ zu der Befestigungsstruktur anzuordnen. Dementsprechend trägt eine Kombination der Effizienz bei der vorliegenden Transducergestaltung zu einer leichten Herstellbarkeit und einem wirtschaftlichen Aufbau bei.
Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die hier beschriebene, spezielle rechteckige Form für die Resonatorplatte 22 beschränkt ist. So können auch andere Formen für die Resonatorplatte 22 gewählt werden, obwohl eine Resonatorplatte 22 bevorzugt ist, die einen Formfaktor hat, welcher eine wirtschaftliche Herstellung der Resonatorplatte 22 vereinfacht.
Ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 5 und 6 dargestellt, in denen eine scheibenförmige Resonatorplatte 122 auf einem Substratelement 120 in einer Weise gehaltert ist, die derjenigen ähnlich ist, welche für die in den 1–4 veranschaulichte Ausführungsform beschrieben wurde, und wobei Elemente der Ausführungsform der 5 und 6, die der Ausführungsform der 1–4 entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen plus 100 bezeichnet sind.
Die Resonatorplatte 122 beinhaltet vorzugsweise eine piezokeramische Platte, ähnlich dem Material, das oben für die Resonatorplatte 22 beschrieben wurde. Die Resonatorplatte 122 kann auf einem ersten Kontaktblock 168 derart gehaltert sein, daß die Resonatorplatte 122 im Abstand zu einer oberen ebenen Oberfläche 136 des Substratelements 120 gehaltert ist, mit einem Luftspalt zwischen der Resonatorplatte 122 und dem Substratelement 120. Bevorzugt tritt der erste Kontaktblock 168 mit der Resonatorplatte 122 in der geometrischen Mitte der Resonatorplatte 122 in Eingriff und kann durch eine Lötverbindung 167 angebracht sein, wie sie beispielsweise durch einen SMT-Reflow-Prozeß implementiert werden kann, um eine elektrische Verbindung zwischen einer Elektrode an der inneren Oberfläche 152 der Resonatorplatte 122 und dem ersten Kontaktblock 168 zu bilden. So ist die Resonatorplatte 122 in freitragender Beziehung auf dem ersten Kontaktblock 168 gehaltert. Eine zweite elektrische Verbindung zu einer Elektrode an der äußeren Oberfläche 154 der Resonatorplatte 122 kann durch einen Oberdraht 170 bereitgestellt werden, welcher sich zu einem Kontaktblock 172 auf dem Substratelement 120 erstreckt, und kann mittels eines SMT-Reflow-Prozesses angeschlossen werden.
Ein Koppler 124, der beispielsweise ein mit Glas gefülltes Epoxidharzelement aufweist, befindet sich an der äußeren Oberfläche 154 der Resonatorplatte 122, um eine Impedanzanpassung zwischen der Resonatorplatte 122 und einem Medium bereitzustellen. Der Koppler 124 kann mit einer Aussparung versehen sein, um den Oberdraht 170 aufzunehmen, wo er an der oberen Oberfläche 154 der Resonatorplatte 122 angebracht ist. Der Pfad für akustische Signale, die von der Resonatorplatte 122 und dem Koppler 124 übertragen und empfangen werden, erstreckt sich in einer Richtung, die im allgemeinen orthogonal zu der ebenen Oberfläche 136 des Substratelements 120 ist. Es sei angemerkt, daß in der vorliegenden Ausführungsform der Koppler 124 ohne Membran ausgestaltet ist, so daß die Resonatorplatte 122 die Vibrationsenergie im wesentlichen über die gesamte Fläche des Kopplers 124 verteilt, ohne daß eine Membran erforderlich ist, um die Energie in radialer Richtung zu verteilen.
Zusätzlich kann eine Halterung oder ein Halterungsring 180 auf dem Substratelement 120 positioniert sein, der im wesentlichen mit wenigstens einem Abschnitt eines äußeren Umfangsabschnitts der inneren Oberfläche 152 der Resonatorplatte 122 ausgerichtet ist. Der Halterungsring 180 erstreckt sich über die Ebene der ebenen Oberfläche 136 und beinhaltet eine obere Oberfläche 182, die vorzugsweise um einen relativ kleinen Abstand von der inneren Oberfläche 152 der Resonatorplatte 122 beabstandet ist. Der Halterungsring 180 kann mit der inneren Oberfläche 152 in Eingriff kommen, um die Hebelkräfte zu beschränken, die an dem Befestigungspunkt mit dem ersten Kontaktblock 168 wirken können.
Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, daß verschiedene weitere Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die anhängenden Ansprüche sollen daher alle solche Veränderungen und Modifikationen abdecken, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen.

Claims

Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Abtasten bzw. Erfassen der Position von Objekten in der Nähe des Transducers, wobei der Ultraschalltransduceraufbau aufweist: ein Substratelement, welches eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante aufweist, eine piezokeramische Resonatorplatte, die neben der ebenen Oberfläche gehaltert ist, und einen Koppler, der mit einer Oberfläche der Resonatorplatte verbunden ist, für das akustische Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit dem Koppler in Kontakt ist.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 1, wobei die Resonatorplatte eine rechteckige Platte beinhaltet, die eine längliche große Abmessung und eine kleine Abmessung definiert, und der Koppler benachbart zu einem Ende der großen Abmessung angebracht ist.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein im wesentlichen starres, plattenartiges Membranelement aufweist, welches sich quer bzw. schräg zu der Resonatorplatte erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 3, wobei der Koppler weiterhin ein Impedanzanpassungselement aufweist, welches sich über das plattenartige Element erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 4, wobei das Membranelement eine Öffnung aufweist und sich die Resonatorplatte zu der Öffnung erstreckt und eine Verbindungsstruktur beinhaltet, welche die Oberfläche der Resonatorplatte mechanisch mit dem Membranelement und dem Impedanzanpassungselement verbindet.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 5, wobei das Membranelement ein scheibenförmiges Element beinhaltet.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 5 mit einem dämpfenden Material, welches sich an einer Seite des Kopplers gegenüber dem Medium befindet, und mit einer elastischen bzw. nachgiebigen Isolationsschicht, die das Membranelement von dem dämpfenden Material trennt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 1, wobei das Substratelement eine Leiterplatte aufweist und die Resonatorplatte durch einen Oberflächenmontagekontakt, der zwischen der ebenen Oberfläche des Substratelements und einer ebenen inneren Seitenfläche der Resonatorplatte ausgebildet ist, elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 8 mit einem elektrischen Leiter, der sich zwischen einer Außenseite der Resonatorplatte, gegenüber der Innenseite, und der Leiterplatte erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 9, wobei der Koppler ein im allgemeinen ebenes Element beinhaltet, welches sich quer bzw. schräg zu der Resonatorplatte erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 1, wobei die Resonatorplatte in freitragender Beziehung auf einem Kontaktblock gehaltert ist, welcher sich in einem Abstandsverhältnis im allgemeinen parallel zu dem Substratelement erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 11, wobei das Substratelement einen Laschenabschnitt beinhaltet, der sich in freitragender Beziehung von der Umfangskante des Substratelements erstreckt und einen Abschnitt der ebenen Oberfläche definiert.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 11, wobei die Resonatorplatte ein scheibenförmiges Element aufweist und an einem geometrischen Mittenabschnitt der Resonatorplatte an den Kontaktblock angelötet ist.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 1, wobei der Koppler mit einer ebenen Oberfläche der Resonatorplatte so verbunden ist, daß ein Pfad für akustische Signale, die von der Resonatorplatte übertragen und empfangen werden, sich in einer Richtung erstreckt, die orthogonal zu der ebenen Oberfläche des Substratelements ist.
Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Erfassen bzw. Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers, wobei der Ultraschalltransduceraufbau aufweist: ein Substratelement, welches eine Leiterplatte beinhaltet, die eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante definiert, eine piezokeramische Resonatorplatte mit einer ebenen inneren Oberfläche, die an der ebenen Oberfläche benachbart zu der Umfangskante gehaltert ist, elektrische Kontakte zwischen der Leiterplatte und der Resonatorplatte zum Verbinden der Resonatorplatte mit einer Energieversorgung und einen Koppler, welcher ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten aufweist, wobei sich die erste Seite schräg zu einer Oberfläche der Resonatorplatte erstreckt und mit dieser verbunden ist, für das akustische Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit der zweiten Seite des Kopplers in Kontakt ist.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 15, wobei die Resonatorplatte eine rechteckige Platte beinhaltet, welche eine längliche große Abmessung und eine kleine Abmessung definiert, und die Resonatorplatte in freitragender Beziehung auf einem Kontaktblock gehaltert ist, wobei sich ihre längliche große Abmessung von der Umfangskante des Substratelements erstreckt.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 15, wobei der Koppler eine im wesentlichen starre, scheibenförmige Membran und ein Impedanzanpassungselement, welches aus einem anderen Material besteht als die Membran und sich über die Membran erstreckt und die zweite Seite definiert, beinhaltet, und der Koppler weiterhin eine Verbindungsstruktur beinhaltet, die die Oberfläche der Resonatorplatte mechanisch mit der Membran und dem Impedanzanpassungselement an der ersten Seite verbindet.
Ultraschalltransduceraufbau nach Anspruch 17 mit einem dämpfenden Material, welches das Substratelement, die Resonatorplatte und den Koppler umgibt, und der Koppler weiterhin eine elastische bzw. nachgiebige Isolationsschicht aufweist, die die Membran von dem dämpfenden Material trennt.
Sensor mit einem Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung beim Erfassen bzw. Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers, wobei der Sensor aufweist: ein Substratelement, welches eine Leiterplatte aufweist, die eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante definiert, eine rechteckige piezokeramische Resonatorplatte, die eine längliche große Abmessung und eine kleine Abmessung definiert, wobei die Resonatorplatte in freitragender Beziehung auf dem Substratelement gehaltert ist und ihre längliche große Abmessung sich von der Umfangskante des Substratelements erstreckt, elektrische Kontakte zwischen der Leiterplatte und der Resonatorplatte, um die Resonatorplatte mit einer Energieversorgung zu verbinden, wobei einer der elektrischen Kontakte eine freitragende Halterung für die Resonatorplatte auf dem Substratelement bildet, und einen scheibenförmigen Koppler, der ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten aufweist, wobei sich die erste Seite schräg zu einer Oberfläche der Resonatorplatte erstreckt und mit dieser verbunden ist, wobei der Koppler durch die Resonatorplatte akustisch angeregt wird, um ein Signal zu einem Objekt in der Nähe des Kopplers zu übertragen, und der Koppler reflektierte Signale von dem Objekt empfängt und an die Resonatorplatte überträgt.
Sensor nach Anspruch 19, wobei der Koppler eine im wesentlichen starre Membran und ein Impedanzanpassungselement, welches aus einem anderen Material besteht als die Membran und sich über die Membran erstreckt und die zweite Seite definiert, beinhaltet, und der Koppler weiterhin eine Verbindungsstruktur beinhaltet, die die Oberfläche der Resonatorplatte mechanisch mit der Membran und dem Impedanzanpassungselement an der ersten Seite verbindet.
Sensor nach Anspruch 20, welcher ein Gehäuse aufweist, das ein dämpfendes Material beinhaltet, welches das Substratelement, die Resonatorplatte und den Koppler umgibt, und wobei der Koppler weiterhin eine elastische bzw. nachgiebige Isolationsschicht aufweist, die die Membran von dem dämpfenden Material trennt.