DE2937942C2 - Ultraschallwandler - Google Patents
UltraschallwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art.
Derartige Ultraschallwandler werden als den Dopplereffekt ausnutzende Annäherungs-Alarmgeber zur
Fernbedienung von Fernsehempfängern und dergleichen verwendet. In einem solchen Wandler befindet sich
ein aus einem Zweielementen-Kristall bestehender Schwinger, an dem mittig auf einer Oberfläche ein
Zusatzresonator aus Aluminium oder Kunstharz befestigt ist. Derartig aufgebaute Ultraschallschwinger sind
beispielsweise in der US-PS 36 75 053, sowie in der GB-PS 15 14 967 und der DE-OS 25 47 606 beschrieben.
Die in der erstgenannten Druckschrift erläuterte Ausführung besitzt eine ausgeprägte Spitze in ihrer
insgesamt sehr schmalbandigen Frequenzcharakteristik, während der Frequenzgang der aus den beiden
letztgenannten Schriften bekannten Ausführungen zwei Höcker zeigt und dementsprechend ein relativ breites
ausnutzbares Frequenzband aufweist. Die Erfindung ist auf einen Ultraschallwandler-Typ gerichtet, wie er in
den beiden letztgenannten Druckschriften angegeben ist.
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen solchen aus der DE-OS 25 47 606 bekannten Ultraschallwandler
dargestellt. Er enthält einen zusammengesetzten Vibra-
tor 1, bestehend aus einem keramischen Zweielementen-Kristallschwinger
2 und einem aus Kunstharz hergestellten und in der Mitte der einen Oberfläche des
Kristallschwingers 2 auf demselben befestigten Resonator 3 aus Kunstharz. Durch Befestigung seines
Kristallschwingers an einem zylindrischen Träger 41, der integral an ein isolierendes Basiselement 4
angeformt ist, wurde der zusammengesetzte Schwinger 1 mit dem Basiselement 4 verbunden.
Durch das Basiselement 4 hindurchgehende äußere Anschlußstifte 91 und 92 sind über Verbindungsdrähte
2a und Ib elektrisch mit den entsprechenden Schichten des Zweielementen-Kristallschwingers 2 verbunden. In
einem das Basiselement 4 und den zusammengesetzten Schwinger 1 bedeckenden Metallgehäuse 6 befindet sich
oben eine Öffnung 61 als Ein- oder Austrittsöffnung für Ultraschallenergie, welche der zusammengesetzte
Schwinger 1 entweder aus der Umgebung aufnimmt oder an diese abgibt. Diese Öffnung 51 ist mit einer
Abschirmplatte 7 überdeckt, welche sandwicharlig zwischen einem die Öffnung 61 umgebenden Rand 62
des Metallgehäuses 6 und einem Ringelement 8 eingefaßt ist. Dieses Ringelement 8 liegt auf einer
umlaufenden Sicke 63 im Metallgehäuse 6 auf. Die nach innen greifende Sicke kann beispielsweise eingerollt
oder durch einen Ziehprozeß eingeformt sein. Ferner ist unterseitig eine Abschirmplatte 5 durch eine Bördelung
64 am Ende des Metallgehäuses 6 befestigt. Das Metallgehäuse 6 soll gemeinsam mit der Abschirmplatte
5 den zusammengesetzten Schwinger 1 elektrostatisch abschirmen.
In Fig. 2 und 3 sind grafisch eine Impedanz-Charakteristik
beziehungsweise eine Empfindlichkeits-Charakteristik für den bekannten Ultraschallwandler von
Fig. 1 aufgetragen. Wie diese Charakteristiken zeigen,
hat der bekannte Ultraschallwandler von Fig. 1 eine erste Resonanzstelle sowie eine erste Empfindlichkeit in
einem unteren, und eine zweite Resonanzstelle mit einer zweiten Empfindlichkeit in einem höheren Frequenzbereich.
Streut man versuchsweise Pulver auf die Schallwandlerfläche des Zusatzresonators 3 aus Kunstharz,
dann erkennt man, daß die erste und die zweite Resonanzstelle auf unterschiedlichen Schwingungsarten
basieren. So entsteht bei der ersten Resonanzstelle eine von oben nach unten gehende »kolbenartige« Transversalschwingung,
die das auf der Schallwandlerfläche verstreute Pulver auf der Gesamtfläche von oben nach
unten vibrieren läßt. Dagegen tritt bei der zweiten Resonanzstelle eine Biegeschwingung auf, die zu einer
Konzentration der Pulververteilung auf der Schallwandlerfläche entlang einer Schwingungsknoten-Kreislinie
führt. Auf jeden Fall ist, wie F i g. 3 zeigt, die Empfindlichkeit bei der ersten Resonaiizstelle recht
niedrig im Gegensatz zu der Empfindlichkeit bei der zweiten Resonanzstelle. In F i g. 3 ist der für die
praktische Verwendung notwendige Empfindlichkeitspegel durch eine strich-punktierte Linie A angegeben.
Wie sich aus F i g. 3 ferner entnehmen läßt, übersteigt der Empfindlichkeitspegel bei der ersten Resonanzstelle
kaum den Mindest-Empfindlichkeitspegel A, so daß dieser Wandler kaum für den Einsatz in einem relativ
niedrigen Frequenzbereich geeignet ist. Aufgrund seiner Empfindlichkeits-Charakteristik wird der in
Fig. 1 dargestellte bekannte Ultraschallwandler nur für das in Fig.3 mit B bezeichnete relativ enge
Frequenzband im Bereich der zweiten Resonanzstelle geeignet sein. Die geringe Empfindlichkeit bei der
ersten Resonanzstelle hat folgenden Grund:
Bei der bekannten Ausführung ist der zusammengesetzte
Schwinger 1 direkt auf dem zylindrischen Träger 41 des Basiselementes 4 befestigt Dadurch wird die
Transversalschwingung so stark unterstückt, daß an der ersten Resonanzstelle keine ausreichende Empfindlichkeit
vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art aufzuzeigen,
welcher über ein breites Frequenzband hinweg eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben, vorteilhafte Weiterbildungen des
Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers bildet ein zwischen das isolierende
Basiselement einerseits und den zusammengesetzten Schwinger andererseits gelegtes elastisches Element,
welches den Vorteil bietet, daß es an der ersten Resonanzstelle die Transversalschwingungen nicht
unterdrückt und aufgrund dessen zu einer wesentlich vergrößerten Empfindlichkeit an der ersten Resonanzstelle
führt. In Verbindung mit der hohen Empfindlichkeit an der Biegeschwingungen erzeugenden zweiten
Resonanzstelle besitzt somit der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger eine hohe Empfindlichkeit über
einen sehr breiten Frequenzbereich hinweg.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens läßt sich dadurch erzielen, wenn an die
Schallwandlerfläche des Zusatzresonators ein Ansatz angeformt ist, welcher den Gütefaktor an der zweiten
Resonanzstelle, nämlich der Biegeschwingungs-Resonanz, herabsetzt. Dadurch wird ein ausgeglichener
Empfindlichkeitspegel über beide Resonanzstellen hinweg erzielt.
Nach einer anderen Weiterbildung des Erfindungsgedankens
ist vorgesehen, dem isolierenden Basiselement die Form eines offenen zylindrischen Topfes zugeben, in
dessen Mitte ein zylindrisches Stützteil vom ßoden zur Öffnung aufragt, an dessen Ende der zusammengesetzte
Schwinger über das elastische Element befestigt ist. Ferner kann die Innenoberfläche der zylindrischen
Wandung so abgestuft sein, daß in Richtung auf die Topföffni'ng ein vergrößerter Innendurchmesser gebildet
wird, welcher zu einer Verbesserung der Ein- und Abstrahleigenschaften des Ultraschallwandlers führt.
Nachstehend werden einige Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung, in der auch der Stand der Technik dargestellt ist, näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Ultraschallwandler,
Fig. 2 und 3 grafische Darstellungen mit einer Impedanz- bzw. Empfindlichkeits-Charakteristik der
Ausführung von Fig. 1,
F i g. 4 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers,
F i g. 5 einen kegelstumpfförmigen Zusatz-Resonator aus Kunstharz in Perspektivdarstellung,
Fig.6 einen quadratischen Zweielementen-Kristallschwinger
in Perspektivdarstellung,
F i g. 7 ein ringförmiges elastisches Element für einen erfindungsgemäßen Wandler,
F i g. 8 und 9 grafische Darstellungen zur Impedanz-Charakteristik
bzw. zu einer von der Dicke des elastischen Elementes von Fi g. 7 abhängigen Empfindlichkeits-Charakteristik,
Fig. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel für ein
ringförmiges elastisches Element.
F i g. 11 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers.
F i g. 12 eine Perspektivdarstellung eines zusätzlichen
Resonators aus dem Beispiel von Fig. 11,
Fig. 13 einen Teilschnitt durch eine Grundplatte aus
dem Wandler von F i g. 11,
Fig. 14 und 15 je eine grafische Darstellung einer Impedanz- bzw. Empfindlichkeits-Charakteristik des
Wandlers von F i g. 11,
Fig. 16 bis 19 schematische Schnittansichten von unterschiedlich dimensionierten Grundplatten-Ausführungsbeispielen,
und
F i g. 20 bis 23 grafische Darstellungen verschiedener den Dimensionen von Fig. 16 bis 19 zugeordneter
Empfindlichkeits-Charakteristiken.
Das in F i g. 4 geschnitten dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers
ist ein zusammengesetzter Schwinger 10 mit einem zusätzlichen Resonator 12 aus Kunstharz, der durch ein
Klebemittel in der Mitte auf einer Oberfläche eines quadratisch geformten piezoelektrischen Zweielementen-Kristallschwingers
11 befestigt ist, welcher seinerseits zwei zusammengefügte piezoelektrische Keramikplatten
aufweist, bei denen an äußeren Seitenelektroden im Bereich einer nicht dargestellten Knotenpunktlinie
Anschlußleitungen 111 und 112 angelötet sind. Der in F i g. 5 separat dargestellte zusätzliche Resonator 12 ist
mit seiner kleineren, in Fig. 5 unten liegenden Zylinderfläche, an dem Kristallschwinger 11 befestigt,
und seine größere Oberfläche (großer Durchmesser) dient als Schallwandleroberfläche. Der zusammengesetzte
Schwinger 10 ist über ein zwischengelegtes elastisches ringförmiges Element 101 aus Silikongummi
(F i g. 7) auf einer isolierenden Grundplatte 40 befestigt, an der ferner durchgehende Anschlußstifte 91 und 92
fixiert sind. Beispiels- bzw. vorzugsweise sind der Schwinger 10, insbesondere der Kristallschwinger 11
mit dem elastischen Element 101, und letzterer mit der Grundplatte 40 mit einem Silikonkleber zusammengefügt
bzw. verbunden. Eine Abschirmplatte 5 auf der äußeren Rückseite der Grundplatte 40 ist mit dem einen
Anschlußstift 92 verlötet und von dem anderen Stift 91 elektrisch isoliert. Der zusammengesetzte Schwinger 10
ist von einem zylindrischen Metallgehäuse 6 umgeben, der an einem Ende abgedichtet mit der Grundplatte 40
verbunden ist und am anderen Ende eine öffnung 61 aufweist, die mit einer Abschirmplatte 7 verschlossen ist.
Weil nun bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel von Fig.4 der zusammengesetzte Schwinger
10 durch das elastische Element 101 unterstützt ist, kann sich die über seine Dicke wirksame Transversal- (bzw.
Kolben-) Schwingungsart seiner beiden Schwingungsarten
besser ausbilden. Dadurch hat dieser Schwinger 10, wie aus der Impedanz-Charakteristik von F i g. 8 und
der Empfindlichkeits-Charakteristik von F i g. 9 hervorgeht im unteren Frequenzbereich eine für die Praxis
ausnutzbare große Empfindlichkeit Damit steht ein Ultraschallwandler mit einer guten Empfindlichkeit
über ein breites Frequenzband zur Verfugung, was einer verbesserten Empfindlichkeit der I.Resonanz einer
Transversal-Schwingungsart in Verbindung der 2. Resonanz einer Biegeschwingungsart zu verdanken ist In
F i g. 9 ist das Frequenzband mit Cbezeichnet in dessen Grenzen ein für die praktische Anwendung ausreichender
Empfindlichkeitspegel verfügbar ist Vergleicht man F i g. 9 mit F i g. 3, dann ist das durch die Erfindung
ausnutzbare Frequenzband wesentlich breiter als beim herkömmlichen Ultra.schallwandler. In Fig. 9 wurden
verschiedene Kmpfindlichkeiiskurven 1, 2, 3 und 4 in
Abhängigkeit von unterschiedlich dicken ringförmigen elastischen Elementen 101 (Fig. 7) aufgenommen,
', welche den Abstand zwischen dem Zweielementen-Kristallschwinger
11 und der isolierenden Grundplatte 40 bestimmen. Die Empfindlichkeitskurven 1, 2, 3 und 4
gehören jeweils zu einem t = 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm bzw. 0,8 mm dicken Element 101. Zwar hat sich bei
ίο diesem Vergleich das 0,2 mm dicke elastische Element
101 als optimal erwiesen, jedoch kann sich dieser Optimalwerl für die Dicke t in Abhängigkeit von den
geometrischen Abmessungen des zusammengesetzten Schwingers 10 durchaus ändern und sollte daher
Ii vorzugsweise durch Experimente bestimmt werden. Die
zuvor beschriebenen Empfindlichkeitskurven wurden bei abgenommenem Metallgehäuse 6 aufgenommen.
Wenn das Gehäuse 6 gem. Fig.4 daran befestigt ist, fällt die Empfindlichkeit etwas ab. Durch günstige
>o geometrische Gestaltung des Gehäuses oder der
Grundplatte oder des zusätzlichen Resonators kann die Empfindlichkeit noch verbessert werden. Daher sollte
man die Geometrie und Ausbildung des Gehäuses und dgl. jeweils im Hinblick auf die Anwendung in
y> geeigneter Weise bestimmen.
Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf einen Silikongummiring als Element 111; beispielsweise kann
der zusammengesetzte Schwinger direkt mit Hilfe eines Silikonklebers befestigt werden.
ίο Alternativ zu dem ringförmigen Element 101 kann
auch ein geschlitztes ringförmiges Silikongummi-Elemeni
101 gemäß Fig. 10 verwendet werden. Es bietet
beispielsweise den Vorteil, daß die Lötverbindung zwischen dem Kristallschwinger 11 und der Anschlußleitung
112 in dem Ringausschnilt 101a untergebracht werden kann. Dadurch wird eine Schräglage des
Schwingers 10 vermieden und eine gewünschte Richtcharakteristik aufrecht erhalten.
Ein in Fig. 11 dargestelltes zweites erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel ist in mancher Hinsicht dem von F i g. 4 ähnlich, so daß nachstehend im wesentlichen
nur die abweichenden Einzelheiten erläutert werden. So besteht der in Fig. 12 separat dargestellte zusätzliche
Resonator 12 aus einem kegelstumpfförmigen Rumpfabschnitt
121 mit einem integral angeformten und aus der Wanderoberfläche aufragenden Zylinderansatz 122. Die
kleinere Rumpfabschnittfläche ist auf dem Zweielementen-Kristallschwinger
11 befestigt Die sich ebenfalls von der Ausführung in Fig.4 unterscheidende Grundplatte
40 ist in F i g. 13 separat dargestellt Von einem zylindrischen Boden 402 ragt außen eine zylindrische
Wandung 401 und innen ein zylindrisches Stützteil 403 auf, so daß zwischen 403 und 40! eine Ringnut 405
ausgebildet ist An der offenen Seite der Grundplatte 40 ist das Stützteil 403 mit einem konzentrischen
vorspringenden Absatz 404 mit reduziertem Außendurchmesser versehen. Auch die zylindrische Außenwand
401 besitzt eine interne Endabstufung mit vergrößertem Innendurchmesser, und ferner ist am
bo offenen Ende der Umfangswandung 401 ein nach außen und innen abgesetzter Vorsprung 406 angeformt sowie
bodenseitig vorstehende Anschlußstifte 91,92 eingebettet Auf den Absatz 404 ist ein ringförmiges elastisches
und beispielsweise aus Silikongummi bestehendes Element 10Γ mit Spalt (s. Fig. 10) aufgepaßt und
dadurch elastisch befestigt kann aber auch angeklebt sein. Da der Vorsprung 404 niedriger als das elastische
Element 101' dick ist steht die äußere Oberfläche des
Elementes 101' etwas über die Oberseite des Vorsprungs
404 hinaus. Auf dem so positionierten elastischen Element 10Γ kann der zusammengesetzte
Schwinger 10 leicht montiert werden.
Alternativ könnte (nicht dargestellt) ein Rand um den Vorsprung 404 am Ende des Stutzteiis 403 angeformt
und so eine Umfangsnut zur Aufnahme des elastischen Elementes 10Γ gebildet sein.
Vorzugsweise ist das elastische Element 10Γ mittels
eines Silikonklebers am Stützteil 403 befestigt und (erner der zusammengesetzte Schwinger 10 mit der
Gehäuseöffnung zugekehrtem Zylinderansatz 122 auf dem elastischen Element 101' fixiert. Dabei ist der
Schwinger 10 so positioniert, daß die Lötanschlußstelle dor Leitung 112 auf der Unterseite des Kristallschwin-
-eis 11 in dem Spalt 101a (Fig. 10) des Elementes 10Γ
liegt. Danach wird vorzugsweise der Spaltbereich 101a mit Silikonkleber vollständig ausgefüllt, so daß ein
zwischen dem Zweielementen-Schwinger 11 und dem Stützteil 403 vorhandener Spalt versiegelt ist. Vorzugsweise
ist die Leitung 111 am Stift 91, und die Leitung 112
am Stift 92 festgelötet, und die Lötstellen sind mit einem Silikonkleber überdeckt.
Wie aus Fig. 11 hervorgeht, isi die von dem Vorsprung 406 am offenen Ende der zylindrischen
Wandung 401 eingefaßte öffnung der Grundplatte 40 mit einer deckeiförmigen Abschirmplatte 7 überdeckt,
deren angeformter Rand 71 sandwichartig zwischen dem Vorsprung 406 und der Seitenwand des aufgesetzten
Metallgehäuses 6 eingebettet ist. Damit ist die Abschirmplatte 7 auf einfache Weise fixiert, die beim
Stand der Technik gem. F i g. 1 erforderlichen komplizierten Befestigungsmaßnahmen entfallen.
Man beachte, daß der Durchmesser des Zylinderansatzes 122 des zusätzlichen Harz-Resonators 12 etwa
gleich oder etwas kleiner als der Schwingungsknotenpunkt-Kreis einer Biegeschwingungsart des Schwingers
10 ist, keineswegs größer. Obwohl dieser Zylinderansatz 122 aufgrund seiner Masse den Resonanz-Gütefaktor in
der Biegeschwingungsart verschlechtert, hat er wenig Einfluß auf eine Transversai-Schwingungsart, eben weil
sein Durchmesser gleich oder kleiner als der Durchmesser des Biegeschwingungs-Knotenpunkikreises ist.
Ganz allgemein wird das Gesamt-Schwingungsverhalten trotz Schwächung der Biegeschwingungen etwa
gleich groß wie bei einer Ausführung ohne Zylinderansatz am zusätzlichen Resonator 12 sein, und außerdem
wird durch Unterdrückung der Biegeschwingungen die Transversalschwingungsart relativ verstärkt.
Statt als Integralansatz kann der Zylinderansatz 122 auch als separates TeiS hergestellt und an dem
Rumpfabschnitt 122 mit einem Klebemittel oder dgl. befestigt sein. Ferner muß der Zylinderansatz 122 nicht
kreisrund sein, er kann vielmehr halbkreisförmig, polygonal oder anders gestaltet sein. Die Masse des
Ansatzes 122 soll sorgfältig so bemessen sein, daß der Gütefaktor im zweiten Resonanzbereich einer Biegeschwingungsart
unterdrückt wird. Ein zu kleiner Gütefaktor setzt die Empfindlichkeit des Wandlers
herab. Deshalb wird vorzugsweise die Masse des Ansatzes 122 so gewählt, daß die Empfindlichkeit über
einer praktisch verwertbaren Grenze liegt und eine Kolbenschwingungsart wenig behindert wird.
Da auch bei der Ausführung in F i g. 11 der Schwinger
.10 durch das ringförmige elastische Element 101' unterstützt ist, erhöht sich die Wirksamkeit der ersten
Resonanz in einer Transversal- (bzw. Kolben-) Schwinsunesart
und daraus resultiert ein Ultraschallschwinger mit guter Empfindlichkeit über ein breites Frequenzband.
Mit Hilfe des auf den Rumpfabschnitt 121 des aus Kunstharz hergestellten zusätzlichen Resonators 12
kann der Gütefaktor für die zweite Resonanz Ί vermindert werden.
In F i g. 14 ist die Abhängigkeit der Impedanz, und in
Fig. 15 die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der
Frequenz für einen erfindungsgemäßen Ullraschallwandler aufgetragen, und zwar gilt die durchgehende
ίο Linie für einen Wandler mit Ansatz 122, und die
unterbrochene Linie für einen Wandler ohne Ansatz 122 am zusätzlichen Resonator 12. Bei der unterbrochenen
Linie ist der Gütefaktor bei der zweiten Resonanz hoch, und wegen des fehlenden Ansatzes 122, die Empfindlich-
\'> keil in diesem Bereich relativ gering. Dagegen
verursacht, wie die durchgehende Linie zeigt, der anwesende Zylinderansatz 122 am zusätzlichen Resonator
12 in der ersten Resonanz einen großen und in der zweiten Resonanz einen kleinen Gütefaktor. Dies ist
vermutlich darauf zurückzuführen, daß infolge des geringeren Gütefaktors in der zweiten Resonanz der
Gütefaktor der ersten Resonanz durch eine Transversai-Schwingungsart vergrößert wird in Abhängigkeit
von der erwähnten Unterdrückung. Gemäß Fig. 15 (durchgehende Linie) steigt in der zweiten Resonanz die
Empfindlichkeit mit einer Gütefaktor-Verminderung. Dagegen wird trotz Erhöhung des Gütefaktors in der
ersten Resonanz dort die Empfindlichkeit nicht vermindert. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen.
daß die erste Resonanz durch eine Transversal-Schwingun^iurl
hcrvoi g^. ufi.ri isi.
Ferner kann durch eine Absatzausbildung an der Innenoberfläche der Umfangswandung 401 in der Nähe
der Öffnung der isolierenden Grundplatte 40 der
J5 Wirkungsgrad des Wandlers weiter verbessert werden.
Solche abgesetzten Bereiche reflektieren Ultraschallwellen in der Weise, daß ausgesandte Ultraschallwellen
zur Öffnung 61 des Metallgehäuses 6, und ankommende Ultraschallwellen in Richtung auf die Wandleroberfläehe
des zusätzlichen Resonators 12 gebündelt werden. Derartige Absätze sind schwierig in ein Metallgehäuse
gem. F i g. 1 einzuarbeiten, dagegen äußerst einfach herzustellen, wenn die Basis oder Grundplatte aus
einem Kunstharzmaterial hergestellt und als zylindrischer Topf mit Boden ausgebildet ist.
Nachstehend werden die durch Versuch ermittelten Einflüsse unterschiedlicher Grundplatten-Konfigurationen
auf die Empfindlichkeit eines Wandlers näher erläutert.
Bei dem Versuch wurden vier unterschiedlich geformte, in den Fig. 16 bis 19 dargestellte Grundplatten
40 verwendet, die jedoch särn'.iich in das gleiche
Metallgehäuse 6 passen. Die isolierende Grundplatte 40 von Fig. 16 hat eine angeformte ringförmige Einfassung
401', und in der Mitte von Absatz 404 ist ein zusammengesetzter Schwinger über ein elastisches
Element zu befestigen, wodurch üblicherweise die Empfindlichkeit erhöht wird. In F i g. 20 sind verschiedene
Empfindlichkeitskurven a, b, cund <ifür verschiedene
von 1,0 mm bis 1,6 mm reichende Höhenwerte h der Einfassung 401' aufgetragen. Die Versuche haben
gezeigt, daß trotz veränderter Höhe h der Einfassung
401' die Empfindlichkeit in dem Frequenzbereich um 4OkHz relativ gering bleibt Ober den gesamten
Frequenzbereich betrachtet läßt sich erkennen, daß eine Höhe h = 1,2 mm noch die größte Empfindlichkeit
mit sich bringt Die in Fi g. 17 dargestellte Grundplatte 40' ist ähnlich gestaltet jedoch wird jetzt im Versuch ein
Innendurchmesser d der ringförmigen Einfassung 401'
verändert und in Verbindung mit Fig. 21 festgestellt, welchen Einfluß dies auf die Empfindlichkeit hat. Auch
hier fuhrt die Änderung des Innendurchmessers dkaum zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit im Frequenzbereich
um 40 kHz, über das gesamte Frequenzband hinweg wird jedoch die größte Empfindlichkeit
erzielt, wenn d = 13,5 mm groß ist.
Die in Fig. 18 und 19 dargestellten Grundplatten-Ausführungen 40' besitzen ein mittleres Stützteil 403 mit
Absatz 404 und bilden so ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Ausführung von Fig. 18
wurde versuchsweise die mit H bezeichnete Tiefe der Ringnut 405 zwischen 1,5 mm (Kurve a) und 3,5 mm
(Kurve e) verändert. Wie sich aus Fig. 22, wo diese
Kurven aufgetragen sind, entnehmen läßt, wird jetzt eine Verbesserung im Frequenzbereich um 40 kHz
erzielt, wogegen mit zunehmender Tiefe f/der Ringnut
10
405 die Empfind ichkeit im niedrigen Frequenzbereich mehr oder weniger ansteigt. Bei dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 19 wird der Innendurchmesser D des umlaufenden Vorsprungs 406 zwischen 13,5 mm und
15,3 mm verändert. Wie die zugehörige Fig. 23 zeigt, erhöht sich die Empfindlichkeit im Frequenzbereich um
40 kHz, und ferner steigt die Empfindlichkeit im gesamten Frequenzband an, je größer dieser Innendurchmesser
c/wird.
Aus diesen Versuchen geht einwandfrei hervor, daß eine topfförmigc zylindrische Grundplatten-Ausführung
gem. Fig. 18 und 19 zu einer Empfindlichkeitssteigerung
über das gesamte Frequenzband führt, verglichen mit Fig. 16 oder 17. Die vorstehend beschriebenen
Versuche gestatten die Herstellung einer optimal gestalteten topfförmigen zylindrischen Grundplatte für
einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Ultraschallwandler mit einem zusammengesetzten Schwinger aus einem piezoelektrischen Zweielementen-Kristallschwinger
und einem damit verbun- ι denen zusätzlichen Resonator aus Kunstharz und
mit einer Frequenzeingangskennlinie, bei der in einem unteren Frequenzbereich eine durch eine
Transversalschwingung verursachte erste Resonanzstelle sowie in einem oberen Frequenzbereich in
ein durch eine Biegeschwingung hervorgerufene zweite Resonanzstelle in Relation zu einer bestimmten
mittleren Frequenz vorhanden ist, sowie mit einem isolierenden Basiselement zur Aufnahme des
zusammengesetzten Schwingers, dadurch ge- i> kennzeichnet, daß zwischen dem Zweielementen-Kristallschwinger
(It) und dem isolierenden Basiselement (40) ein elastisches Element (101)
angeordnet ist, das zum Angleichen der ersten Resonanzstelle an die zweite Resonanzstelle dient.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (101)
ringförmig gestaltet ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige elastische Ji
Element (101) einen Spalt (101 a^aufweist.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem isolierenden Basiselement
(40) mindestens ein Anschlußelement (91, 92) angeordnet und über eine Leitung (111; 112) mit dem to
Zweielementen-Kristallschwinger (II) elektrisch verbunden ist; und daß eine zwischen der Leitung
und dem Zweielementen-Kristallschwinger gebildete elektrische Verbindungsstelle in dem Spalt (iOia)
des ringförmigen elastischen Elementes (101) an- t? geordnet ist.
5. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
elastische Element durch ein Silikon-Klebemittel gebildet ist. ·»"
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische
Element (101) aus Silikongummi besteht.
7. Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Basis- -r>
element (40) einen Vorsprung (406) aufweist, der so geformt ist, daß sein Außendurchmesser etwas
kleiner als der Innendurchmesser, und seine Höhe etwas kleiner als die Dicke des ringförmigen
elastischen Elementes (101) ist; und daß das w ringförmige elastische Element (101) auf den
Vorsprung (406) aufgepaßt und danach der Zweielementen-Kristallschwinger
(11) des zusammengesetzten Schwingers (10) auf dem elastischen Element angebracht ist. «
8. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die
Schallwandlerfläche des aus Kunstharz hergestellten zusätzlichen Resonators (12) ein Ansatz (122)
angeformt ist. M)
9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (122) die Form einer
zylindrischen Säule hat.
10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrisehen
Ansatzes (122) so gewählt ist, daß er etwa der fundamentalen Schwingungsknotenpunkt-Kreislinie
der zweiten Resonanzstelle des zusammengesetzten Schwingers (10) gleicht.
11. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Basiselement (40) im wesentlichen die
Form eines offenen zylindrischen Topfes hat und der zusammengesetzte Schwinger (10) über das elastische
Element (101) mit dem Bodenteil de:, Basiselementes verbunden ist.
12. Ultraschallwandler nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das topfförmige zylindrische Basiselement (40) eine Umfangswandung (401)
aufweist, deren Innendurchmesser zum offenen Ende hin durch einen Absatz (404) in der Weise
vergrößert ist, daß von der Wandleroberfläche des zusammengesetzten Schwingers (10) ausgehende
oder auf diese auftreffende Ultraschallwellen gebündelt werden.
13. Ultraschallwandler nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem vom Boden zur Öffnung des lopfförmigen zylindrischen
Basiselementes (40) aufstrebenden Stützteil (403) und der Umfangswandung (401) eine Ringnut (405)
gebildet ist, und daß der zusammengesetzte Schwinger (10) über das elastische Element (101) an dem
freien Ende des zylindrischen Stützteils (403) angebracht ist.
14. Ultraschallschwinger nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einem das
topfförmige zylindrische isolierende Basiselement (40) abdeckenden Metallgehäuse (6) eine der
Schallwandlerfläche des zusammengesetzten Schwingers (10) gegenüberliegende Öffnung (61)
angeordnet und durch ein Abschirmelement (7) verschlossen ist.
15. Ultraschallwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (7) durch
sandwichartiges Einbringen zwischen dem Ende der Umfangswandung (401) des isolierenden Basiselenientes
(40) und dem Metallgehäuse (6) befestigt ist.
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