DE3841226A1 - Ultraschall-wandler mit versenktem piezokoerper - Google Patents
Ultraschall-wandler mit versenktem piezokoerperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Wandler mit
einem Piezokörper, der piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwin
gungen anregbar ist, und mit einer auf der einen Stirnfläche
des Piezokörpers aufgebrachten Anpassungsschicht, deren Dicken
abmessung λ/4 der Schallwelle beträgt und deren Material
einen Schallwiderstand besitzt, der zwischen dem Wert des
Schallwellenwiderstands des Materials des Piezokörpers und
demjenigen des Mediums liegt, in das Ultraschall abzustrahlen
ist. Ein solcher Sensor ist insbesondere auf dem Gebiet der
Sensoren (berührungslose Schalter) einsetzbar. Er eignet sich
dabei z. B. für Abstandsmessungen in gasförmigen Stoffen.
Ein richtscharfer Ultraschall-Wandler der eingangs genannten
Art ist aus der DE-PS 25 37 788 und aus der DE-PS 25 41 492
bekannt.
In der DE-PS 25 41 492 ist bereits ausgeführt, daß für ein
Ultraschall-Echolot-System Ultraschall-Wandler wünschenswert
sind, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungs
winkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ul
traschalls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auf
lösungsvermögen erreicht wird. Unter dem Begriff Auflösungs
vermögen wird dabei verstanden, daß zwei nahe beieinanderlie
gende Objekte unterschieden werden können. Um eine Schall
strahlung mit besonders geringem Öffnungswinkel zu erzeugen,
ist der piezoelektrische Ultraschall-Wandler als ein ebener
Klebeverbund aus einer planen Piezokeramik auf einer planen
Anpassungsschicht ausgeführt, wobei die Anpassungsschicht
durch einen die Piezokeramik umgebenden Beschwerungsring aus
Metall an der Ausführung einer reinen Radialschwingung
gehindert wird. Auf diese Weise wird die Energie der radial
schwingenden Piezokeramik über die Anpassungsschicht zum
umgebenden Medium, zum Beispiel Luft, übertragen. Die
Anpassungsschicht strahlt dabei den von der Piezokeramik
eingespeisten Ultraschall senkrecht zur Hauptschwingungsebene
dieser Piezokeramik scharf gebündelt in das Medium ab. Da die
Breite der Schallbündelung im direkten Zusammenhang zur
Detektierbarkeit der reflektierten Echos steht, kann eine hohe
Auflösung erzielt werden.
Bei dem bekannten Ultraschall-Wandler wird die Bewegung des
Piezokörpers, das heißt die Schwingungsenergie, ausschließlich
über die Klebung zwischen dem Piezokörper und der Anpassungs
schicht auf letztere übertragen. Die Eigenschaft des Klebers,
insbesondere dessen relativ geringe Scherfestigkeit, und die
Qualität der Klebestelle sind damit für die Güte der Energie
übertragung entscheidend.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Ultraschall-Wandler
der eingangs genannten Art, insbesondere bei einem richtschar
fen Ultraschall-Wandler mit Beschwerungsring, die Energieüber
tragung und damit die Ultraschallabstrahlung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der
Anpassungsschicht eine Vertiefung vorgesehen ist, in die der
Piezokörper paßgenau eingelassen ist.
Bei der Erfindung ist also der Piezokörper, der insbesondere
eine Piezokeramik sein kann, paßgenau, das heißt ohne Seiten
spalt, in das Material der Anpassungsschicht eingelassen, so
daß zumindest ein Teil der Seitenfläche des Piezokörpers direkt
auf das Material der Anpassungsschicht trifft. Dadurch wird die
bei Erregung in dem Piezokörper hervorgerufene Radialbewegung
direkt auf die Anpassungsschicht übertragen, was zu einer ver
besserten Energieübertragung führt. Bei ausreichender Steifig
keit des Anpassungsmaterials ergibt diese Art der Schwingungs
ankopplung eine deutliche Erhöhung der Echospannung, die mit
dem vom Senden auf Empfang geschalteten Ultraschall-Wandler
gemessen werden kann. Gegenüber herkömmlichen Ultraschall-Wand
lern wurden Anhebungen der Echospannung bis über 150% gemessen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
In der Figur ist ein richtscharfer Ultraschall-Wandler darge
stellt, der einen zylindrischen Piezokörper 1 besitzt. An sei
nen beiden Stirnflächen ist der Piezokörper 1 jeweils mit
einer Metallelektrode 2, 3 versehen. An diesen Elektroden 2, 3
sind (nicht gezeigte) Anschlußlitzen angelötet. Über diese
Anschlußlitzen werden die Elektroden 2, 3 bei Betrieb des Ul
traschall-Wandlers im Sendebetrieb mit einer Wechselspannung
von einer (nicht gezeigten) Wechselspannungsquelle versorgt.
Dadurch wird der Piezokörper 1, vorzugsweise ein Keramikkörper,
zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf der einen Stirnfläche des
Keramikkörpers 1, genauer: auf der Elektrode 3, ist eine An
passungsschicht 4 angeordnet, die als Lambda/4-Schicht ausgebil
det ist. Das bedeutet, daß diese Anpassungsschicht 4 in ihrem
mittleren Bereich eine Dicke D von Lambda/4 hat, wobei Lambda die
Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers 1 erzeugten Ultra
schalls in der Anpassungsschicht 4 ist.
Die Lambda/4-Schicht 4 besteht aus einem Material, dessen aku
stischer Schallwellenwiderstand einen Wert besitzt, der zwi
schen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers 1
und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums 5, in
dem sich der Ultraschall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium 5
ist im allgemeinen Luft oder ein anderes Gas. Die Hauptabstrah
lungsrichtung des Ultraschalls ist durch einen Pfeil 6 gekenn
zeichnet.
Die Lambda/4-Anpassungsschicht 4 besitzt bei dem dargestellten
Ultraschall-Wandler wesentlich größere Breitenabmessungen als
der Keramikkörper 1. Der überstehende Bereich der Lambda/4-Schicht
4 ist auf der Seite des Keramikkörpers 1 mit einem Beschwerungs
ring 7 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, verbunden.
Dieser Beschwerungsring 7 hat im Vergleich zur Lambda/4-Anpassungs
schicht 4 ein relativ großes Gewicht und eine relativ hohe
Steifigkeit. Der Beschwerungsring 7 umschließt konzentrisch den
Keramikkörper 1, und zwar ohne diesen zu berühren.
Von besonderer Bedeutung ist vorliegend die Befestigung der
Anpassungsschicht 4 am Piezokörper 1. Zu diesem Zweck ist kon
zentrisch in der Anpassungsschicht 4 eine Vertiefung 8 an
geordnet, in die der Piezokörper 1 samt Elektrode 3 paßgenau
eingelassen ist. Die Einlaßtiefe t in der Anpassungsschicht 4
beträgt dabei weniger als die Hälfte der Dicke d des Piezo
körpers 1. Entsprechend der Gestalt der Piezokeramik 1 ist die
Vertiefung 8 zylindrisch ausgebildet. Die eingelassene Stirn
fläche des Piezokörpers 1 (genauer: die Elektrode 3) ist dabei
auf dem Boden der zylindrischen Vertiefung 8 festgeklebt.
Wegen des paßgenauen Einlassens ist gewährleistet, daß ein Teil
der zylindrischen Seitenfläche der Piezokeramik 1 jede Durch
messeränderung direkt auf das Material der Anpassungsschicht 4
überträgt. Es wird also die bei Erregung der Elektroden 2, 3
erzeugte Radialbewegung der Piezokeramik 1 direkt auf das
Anpassungsmaterial 4 übertragen. Hierdurch ergibt sich ein
hohes Maß an Energieübertragung, was in einer verhältnismäßig
großen abgestrahlten Ultraschall-Leistung entlang der Abstrah
lungsrichtung 6 und folglich auch in relativ großen, beim
Empfangsbetrieb vom Piezokörper 1 aufgenommenen Echosignalen
resultiert.
Der Ultraschallwandler läßt sich mit Vorteil zu Abstandsmessungen
in gasförmigen Stoffen einsetzen.
Claims (8)
1. Ultraschall-Wandler mit einem Piezokörper (1), der piezo
elektrisch zu Ultraschall-Schwingungen anregbar ist, und mit
einer auf der einen Stirnfläche des Piezokörpers (1) aufge
brachten Anpassungsschicht (4), deren Dickenabmessung Lambda/4
der Schallwelle beträgt und deren Material einen Schallwellen
widerstand besitzt, der zwischen dem Wert des Schallwellen
widerstandes des Materials des Piezokörpers (1) und demjenigen
des Mediums (5) liegt, in das Ultraschall abzustrahlen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in der An
passungsschicht (4) eine Vertiefung (8) vorgesehen ist, in die
der Piezokörper (1) paßgenau eingelassen ist.
2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einlaßtiefe (t) weniger als
die Hälfte der Dicke (d) des Piezokörpers (1) beträgt.
3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Seite der Anpas
sungsschicht (4), die dem Piezokörper (1) zugewandt ist, ein
Beschwerungsring (7) angeordnet ist.
4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Beschwerungsring (7) aus
einem Metall besteht.
5. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Beschwerungsring (7)
auf der Anpassungsschicht (4) aufgeklebt ist.
6. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo
körper (1) ein Keramikkörper ist, der mit zwei Elektroden (2,
3) zum Anschluß an eine Wechselspannungsquelle versehen ist.
7. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
tiefung (8) zylindrisch ausgebildet ist.
8. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn
fläche des Piezokörpers (1) auf dem Boden der Vertiefung (8)
festgeklebt ist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19883841226 DE3841226C2 (de) | 1988-12-07 | 1988-12-07 | Ultraschall-Wandler mit versenktem Piezokörper |
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DE19883841226 DE3841226C2 (de) | 1988-12-07 | 1988-12-07 | Ultraschall-Wandler mit versenktem Piezokörper |
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DE3841226A1 true DE3841226A1 (de) | 1990-06-21 |
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DE19883841226 Expired - Fee Related DE3841226C2 (de) | 1988-12-07 | 1988-12-07 | Ultraschall-Wandler mit versenktem Piezokörper |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3841226C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004008432A1 (de) * | 2002-07-11 | 2004-01-22 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur akustischen anpassung eines aktiven elements eines elektroakustischen wandlers zum aussenden und empfangen von ultraschallwellen sowie vorrichtung zum aussenden und empfangen von ultraschallwellen |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2541492B2 (de) * | 1975-09-17 | 1980-02-21 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Ultraschallwandler |
DE3234896A1 (de) * | 1982-09-21 | 1984-03-22 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Ultraschallwandler |
-
1988
- 1988-12-07 DE DE19883841226 patent/DE3841226C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2541492B2 (de) * | 1975-09-17 | 1980-02-21 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Ultraschallwandler |
DE3234896A1 (de) * | 1982-09-21 | 1984-03-22 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Ultraschallwandler |
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WO2004008432A1 (de) * | 2002-07-11 | 2004-01-22 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur akustischen anpassung eines aktiven elements eines elektroakustischen wandlers zum aussenden und empfangen von ultraschallwellen sowie vorrichtung zum aussenden und empfangen von ultraschallwellen |
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE3841226C2 (de) | 1994-03-03 |
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