DK168317B1 - Ultrasonisk transducer - Google Patents

Description

DK 168317 B1

Den foreliggende opfindelse angår en ultralydstransducer til brug som målesonde eller som berøringsløs afbrydeindretning og med et lukket, af plast fremstillet hus med en topplade, med hvis inderside et piezoelektrisk element er 5 forbundet, med en med toppladen parallel nedre dækplade, gennem hvilken de til forbindelse af elektroderne på det piezoelektriske element anvendte terminaler er ført ud af huset i form af fra hinanden isolerede kontaktstifter, og med en cylindrisk væg mellem toppladen og dækpladen.

10 En kendt ultralydstranducer af denne type (US-A-3 555 311) har et af flere stykker bestående grydeformet, indvendigt hus af metal, i hvis åbning det piezoelektriske element er placeret. I bunden af dette hus er der i midten en gen-nembrydning, gennem hvilken der i en deri indsat bøsning er 15 to kontaktstifter, som er sluttet til det piezoelektriske felt, og som er ført ud af huset. Det indvendige hus er på alle sider belagt med formstof eller er indesluttet i et formstofhus, idet formstoffet danner en svingningsoverførende, med det piezoelektriske element forbundet overplade. I 20 området ved den nedre plade af det indvendige hus omslutter formstoffet en ringvulstformet udbøjning af den nævnte bøsning. Det indvendige hus af metal udgør yderligere en reflektor.

Der kendes endvidere en anden ultralydstransducer 25 (FR-A-2 325 266), ved hvilken der til forbedring af opløs ningsevnen ved foretagelsen af ultralydsafstandsmålinger og således til formindskelse af efterklangstiden gøres brug af en overplade af formstof med lukkede porer. På den side af overpladen, der bærer det piezoelektriske element, er der 30 placeret en såkaldt belastningsring, der også kan være udformet som en del af huset, uden at dette dog er nærmere omtalt. I forhold til overpladen må belastningsringen have en høj vægt og er i et udførelseseksempel udført i aluminium, altså et materiale med betydelig højere specifik vægt end 35 det porøse formstof i overpladen, hvis porestørrelse skal ligge mellem 30 ^u og 125 ^u.

Med denne tekniske baggrund er det ønsket at udforme en ultralydstransducer af den indledningsvis nævnte art så- DK 168317 B1 2 ledes, at den med kort efterklangstid giver en veldefineret udstrålingsform, hvilket er ønskværdigt ved berøringsløse endestop og målesonder, og således at der er god tilgang til det piezoelektriske element. I henhold til opfindelsen løses 5 denne opgave ved at ultralydstranduceren er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne.

Herved anvendes til dette formål det i og for sig kendte overplademateriale også som materiale til den cylindriske væg i det ud i ét fremstillede hus, idet det skal væ-10 re forsynet med porer, der ikke længere skal være defineret ved deres øvre og nedre størrelse, men ved den øvre og nedre middelværdi, der skal være mellem 50 ^u og 100 ^u. Endvidere udformes den cylindriske væg således, at den ikke som i de kendte udformninger har en indeftertrukket bund, men såle-15 des, at den ved dens modsat oversiden vendende side er fuldstænding åben og lukkes af en forholdsvis stor afdækningsplade, der er placeret inden for kanten af den cylindriske væg. Huset består altså af en enkelt formstofdel med grydeform og et glat låg.

20 Kendte ultralydstransducere har vist sig ikke at være særlig egnet som berøringsløse endestop eller målesonder til formidling af en afstandsmåling et underlag, dels fordi de har en forholdsvis lang efterklangstid, dels fordi de er vanskelige at have med at gøre. Ultralydstransduceren ifølge 25 opfindelsen har ikke disse ulemper.

Det har vist sig, at når huset i det væsentlige består af et formstof, såsom fx epoxyhapiks, vil såvel stigningstiden som efterklangstiden være kort som vist på fig.

11. Endvidere opnås der en forbedring af intensiteten af ud-30 gangsspændingen, der afgives i afhængighed af modtagelsen af en ultralydssvingning.

De foretrukne udførelsesformer for den ultrasoniske transducer ifølge opfindelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningen, i hvilken: 35 Fig. 1 er en plan afbildning, delvis i snit, hvor der skematisk vises en udførelsesform for den ultrasoniske transducer ifølge opfindelsen, fig. 2 er et tværsnit langs linien II-II ifølge fig.

DK 168317 B1 3

If fig. 3 er et diagram, der viser impulskarakteristikken, fig. 4 er et tværsnit svarende til fig. 2, der skema-5 tisk viser endnu en udførelsesform ifølge opfindelsen, fig. 5 er en afbildning svarende til fig. 2 visende en anden udførelsesform ifølge opfindelsen, fig. 6 er en perspktivisk afbildning, der skematisk viser et elastisk metalrør, som er indrettet til at indsæt-10 tes i oscillatorhuset til reduktion af efterklangstiden, fig. 7 er et snit svarende til fig. 2, der skematisk viser endnu en udførelsesform ifølge opfindelsen, fig. 8 -10 er udsnit, der skematisk viser alternative udførelsesformer for fig. 7, 15 fig. 11 viser retningsmønstre for ultrasoniske trans ducere ifølge opfindelsen,

Et piezoelektrisk element 12 med elektroder 12a og 12b er direkte fastgjort til den indvendige overflade af en topplade 11a på huset 11. Huset 11 har en cylindrisk sidevæg 20 lib, som er ud i ét med toppladen 11a. Huset 11 har en åben ende forsynet med en dækplade 13, i hvilken der er monteret et par terminaler 14a og 14b. Forbindelsesledninger 15a og 15b strækker sig mellem elektroderne 12a,12b og terminalerne 14a,14b. Dækpladen 13 er belagt med et isoleringslag 16. En 25 isolator betegnet med 17 er anbragt som isolering mellem de to terminaler 14a og 14b, når dækpladen er fremstillet af et elektrisk ledende materiale.

I udformningen ifølge fig. 1 og 2 er både toppladen 11a og sidevæggen 11b fremstillet af et porøst plastmateria-30 le. Udtrykket "porøst plastmateriale", der anvendes i denne forbindelse, skal forstås som et syntetisk, polymerisk materiale med en flerhed af lukkede celler spredt i det polyme-riske materiale. Som illustration af et egnet porøst plastmateriale er syntetiske, polymeriske materialer med disper-35 gerede glasmikroballoner i stort antal og opskummede, syntetiske, polymeriske materialer fremstillet på konventionel måde under anvendelse af opskumningsmidler. Fortrinsvis har det porøse materiale en gennemsnitlig porediameter på mellem DK 168317 B1 4 50 og 100 ^um. Eksempler på egnede polymeriske materialer omfatter epoxyharpikser, polyolefinharpikser, styrenharpik-ser, akrylharpikser og vinylklor idharpikser.

Fordi oscillatorhuset 11 ifølge den foreliggende op-5 findelse er fremstillet af et porøst plastmateriale vil Qm af den bølgetransmitterende og -modtagende del af den ultrasoniske transducer ifølge opfindelsen være lav, således at impulsens stigningstid og impulsens bortfaldstid kan afkortes som vist på fig. 11. Reduktionen af henfaldstiden for 10 impulsen resulterer med fordel i en reduktion af efterklangstiden. Endvidere vil den akustiske impedans af toppladen 11a, da toppladen 11a indeholder en relativt stor mængde luft, tilnærmelsesvis være den samme som for luft. Derfor vil tilpasningsforholdene mellem toppladen 11a og den omgi-15 vende luft være forbedret, hvilket resulterer i en forbedring af responsen, dvs, der opnås et mere intenst udgangssignal ved modtagelse af en ultrasonisk bølge af samme intensitet.

F.eks. giver den konventionelle ultrasoniske transdu-20 cer, hvis hus er fremstillet af rustfrit stål, en impulsstigningstid på 0,5 msek., en impulsbortfaldstid på 2,0 msek. og en udgangsspænding på 0,4 V. En ultrasonisk transducer, hvis oscillatorhus er fremstillet af en ikke-porøs epoxyharpiks, giver en impulsstigningstid på 0,2 msek., en 25 bortfaldstid på 1,2 msek og en udgangsspænding på 2,6 V.

Ifald den ultrasoniske transducer er fremstillet i henhold til opfindelsen med et oscillatorhus fremstillet af en epoxyharpiks med deri dispergerede glasmikroballoner med en diameter på 50 - 100 ^um, er impulsstigningstiden og impuls-30 henfaldstiden henholdsvis 0,2 og 1,2 msek. og udgangsspændingen 6,4 V.

Det foretrækkes, at tykkelsen af toppladen 11a i oscillatorhuset 11 er ca. 1/4 af bølgelængden af lydens hastighed af toppladen 11a til opnåelse af den bedste respons. 35 I den ovenneævnte udformning er både toppladen lla og den cylindriske sidevæg 11b fremstillet af et porøst plastmateriale. En lignende forbedring kan opnås, selv når kun toppladen er fremstillet af et porøst plastmateriale. I fig.

DK 168317 B1 5 3 er en cylindrisk sidevæg llb ved dens ene ende direkte fastgjort til en topplade 11a fremstillet af porøst plastmateriale af en type svarende til de ovenfor nævnte. Den øvrige konstruktion af transduceren er i det væsentlige den sam-5 me som konstruktionen ifølge fig. 1 og 2, og den detaljerede forklaring derfor udeladt. Fig. 4 og 5 angiver udførelsesformer svarende til fig. 3. I fig. 4 er den ydre omkreds af toppladen 11a i kontakt med indersiden af den cylindriske sidevæg lib. I fig. 5 er endeafsnittene af toppladen 11a 10 afskåret til diagonalt indgreb med hinanden. Fastgørelsen af toppladen 11a til sidepladen llb kan gøres med kendte midler, såsom klæbestoffer.

I udformningerne ifølge fig. 4-5 foretrækkes det, at den cylindriske sidevæg llb er fremstillet af et materials le, hvis akustiske impedans er større end den akustiske impedans af toppladen 11a med henblik på at opnå en reduktion af efterklangstiden. Som eksempler på egnede materialer for sidevæggen er plast, metal og keramik. Når både top- og sideplade af oscillatorhuset er fremstillet af porøst plast-20 materiale, er oscillationen ved oscillatorhusets 11 side ikke fuldstændigt dæmpet, og efterklangstiden kan ikke reduceres under en vis grænse. I modsætning hertil vil oscillationstiden af toppladen, når sidevæggen llb er fremstillet af et materiale, hvis akustiske impedans er større end top-25 pladens, blive reflekteret og dispergeret ved grænsefladerne mellem toppladen 11a og sidepladen llb, og den forhindres derved i at trænge ind i sidevæggen llb. Som følge heraf vil efterklangstiden blive kortere sammenlignet med en transducer, i hvilken oscillatorhuset som helhed er fremstillet 30 af et porøst plastmateriale.

F.eks. udviser en ultrasonisk transducer, hvis oscillatorhus er fremstillet af et porøst plastmateriale med en akustisk impedans på 1 x 30000 Pa‘s/m , en bølgetransmissionspulskarakteristik, som vist ved linien 20 i fig. 3.

35 En sådan reduktion i efterklangstiden (eller im pulsbortfaldstiden) , kan også gennemføres ved direkte at anbringe et rørformet legeme eller legemer på den udvendige og/eller indvendige omkreds af den cylindriske sidevæg på DK 168317 B1 6 transduceren (fig. 4,5), idet det rørformede legeme har en højere akustisk impedans end den cylindriske sidevæg. Der er anbragt et rørformet legeme 18 indvendigt i et oscillatorhus og fastgjort til den indre omkreds af dets cylindriske side-5 væg lib. I et alternativt arangement vist i fig. 5 er det rørformede legeme 18 klæbet udvendigt på sidevæggen 11b. Ved anvendelse af det rørformede legeme 18 forbedres dæmpningseffekten for vibrationerne på siden af oscillatorhuset, således at efterklangstiden reduceres. Fastgørelsen af det 10 rørformede legeme 18 til sidevæggen 11b kan udføres ved kendte midler, såsom klæbestoffer.

Når det rørformede legeme 18 er anbragt indvendigt i huset 11, er det bekvemt at udforme det rørformede legeme som et elastisk rør, almindeligvis et metalrør med en op-15 slidsning 18a, der strækker sig parallelt med rørets akse. Røret 18 har en større yderdiameter end den indvendige diameter af sidevæggen 11b i fri tilstand. Ved anbringelse af røret 18 inden i huset bringes røret 18 i kontakt under tryk med den indvendige overflade af den cylindriske sidevæg 11b. 20 Tilsvarende er det muligt, når det rørformede legeme 11 er placeret udvendigt på huset li, at anvende et elastisk rør, såsom et gummirør, med en mindre indvendig diameter end den udvendige diameter af sidevæggen 11b. Ved påsætning af gummirøret 18 omkring omkredsen af sidevæggen 11b holdes røret 25 i kontakt med sidevæggen 11b. Når der anvendes et elastisk rørformet legeme, er det ikke nødvendigt for det rørformede legeme at at blive fremstillet af et materiale med større akustisk impedans end sidevæggen 11b, fordi sidevæggen 11b altid underkastes kræfter i en retning vinkelret på aksen af 30 den cylindriske sidevæg 11b og derved forhindres i at oscillere.

Fig. 7 -10 illustrerer forbedringer af de ultrasoniske transducere ifølge de foregående udførelsesforaer, og i disse forbedringer er toppladen 11a brat ændret i et ring-35 formet afsnit, der grænser op til den ydre periferi af den piezoelektriske skive 12 for at opfange eller relaxere den tværgående vibration, som udgår fra periferien af den piezoelektriske skive 12.

7 DK 168317 B1 I udførelsesformen ifølge fig. 1 og 2 vil omkredsen af toppladen 11a, når den centrale del af denne oscillerer, også blive bragt til at vibrere med en modsat fase i forhold til oscillationen, som udgår i tværretningen fra den ydre 5 periferi af den piezoelektriske skive 12. Derfor vil retningsmønsteret af transduceren have to relativt store sidesløjfer ud over hovedsløjfen. På grund af en sådan retningskarakteristik er transduceren tilbøjelig til at modtage støj hidrørende fra andre retninger end retningen 10 for hovedsløjfen. Ved at ændre tykkelsen af toppladen lla i ringform tæt op til den ydre omkreds af den piezoelektriske skive 12 kan den tværgående vibration blive absorberet eller relaxeret på dette sted, således at transduceren kan få et retningsmønster med reducerede sidesløjfer.

15 I den i fig. 7 viste udførelsesform sker absorptionen eller relaxeringen af de tværgående bølger, som udgår fra den piezoelektriske skive 12 ved en hævet eller med trin forsynet del 11c på den ydre overflade af toppladen lla. Som alternativ kan en lignende effekt opnås ved at anbringe et 20 sådant hævet afsnit llc på indersiden af toppladen lla som vist i fig. 8.

I de i fig. 9 og 10 viste udførelsesformer har toppladen lla en ringformet not lid, placeret op til den ydre omkreds af skiven 12. Den ringformede not lid kan være ud-25 formet i i det mindste én af overfladerne, såsom den ydre (fig. 9) eller den indvendige overflade (fig. 10) af toppladen lla. Tværsnittet af den ringformede not lid kan være U-formet, krum (f.eks. halvcirkelformet) eller trapezformet (f.eks. kileformet). Det foretrækkes, at højden af den hæve-30 de del llc og dybden af den ringformede not lid ikke er større end en trediedel af tykkelsen D af toppladen lla for at forhindre en reduktion i responsen.

35

Claims (4)

1. Ultralydstransducer til brug som målesonde eller som 5 berøringsløs afbrydeindretning og med et lukket, af plast fremstillet, cylindrisk hus (11) med en topplade (11a), med hvis inderside et piezoelektrisk element (12) er forbundet, med en med toppladen parallel nedre dækplade (13), gennem hvilken de til forbindelse af elektroderne (12a,12b) på det 10 piezoelektriske element anvendte terminaler er ført ud af huset i form af fra hinanden isolerede kontaktstifter (14a,14b), og med en cylindrisk væg (11b) mellem toppladen og dækpladen, kendetegnet ved, at toppladen (11a) og den cylin-15 driske væg er ud i ét og består af opskummet polymerharpiks med en gennemsnitlig porediameter på mellem 50 og 100 ^um, hvor toppladen (11a) indeholder en forholdsvis stor luftmængde til tilnærmelse af dens akustiske impedans til impedansen af den omgivende luft og har en tykkelse på ca. 1/4 20 af bølgelængden ved dens lydhastighed, en rørformet del (18), hvis impedans er større end den cylindriske vægs (11b), og som er anbragt på mindst inder- eller ydersiden af den cylindriske væg (llb), og at den nedre aflukning af huset sker ved hjælp af den nedre plade (13,16), der ligger 25 som et selvstændigt element mellem de fri kanter af den cylindriske væg, hvor pladen er en med et udvendigt isoleringslag (16) forsynet dækplade (13), igennem hvilken kontaktstifterne (14a,14b) er ført, idet en af kontaktstifterne er isoleret i forhold til dækpladen ved hjælp af en indsat 30 isoleringsbøsning (17).

2. Ultralydstransducer ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den rørformede del er et elastisk rør (18) på væggens (llb) yderside.

3. Ultralydstransducer ifølge krav 1, 35 kendetegnet ved, at den rørformede del er et med en længdeopslidsning (18a) forsynet metalrør (18), der ligger an mod indersiden af væggen (llb).

4. Ultralydstransducer ifølge krav l, DK 168317 B1 9 kendetegnet ved, at overpladen (lla) har en ringnot, der går ind i området for den cylindriske væg (11b), og som omgiver et forhøjet afsnit (11c) på indersiden af overpladen, på hvilket afsnit det piezoelektriske element (12) 5 er placeret koaksialt.