WO1999030313A1 - Ultrasonic transducer with a cup-shaped support - Google Patents

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WO1999030313A1
WO1999030313A1 PCT/DE1998/003297 DE9803297W WO9930313A1 WO 1999030313 A1 WO1999030313 A1 WO 1999030313A1 DE 9803297 W DE9803297 W DE 9803297W WO 9930313 A1 WO9930313 A1 WO 9930313A1
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ultrasonic transducer
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PCT/DE1998/003297
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Vladimir Potapov
Uwe Schön
Thomas Hahn
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer for use as a transmitter and receiver in pulse-echo applications in which the transmission medium for the sound wave is air.
  • a particular area of application of the ultrasonic transducer as a sensor relates to the automotive sector. There is a need here for transducers for object detection within a vehicle interior, for example for checking the airbag ignition during an accident.
  • a round piezoceramic disc is glued centrally to the back of a membrane to generate vibrations.
  • the ceramic is excited to radial vibrations by applying an electric field. Due to a stiff adhesive connection with the membrane, one results
  • the parameters of the ultrasonic vibration are determined by the elastic and other mechanical properties of the overall system.
  • the elastic properties of the materials used and the geometric dimensions of the components used have an influence on the resonance frequency, the opening angle of the sound cone, the quality of the vibration and the sensitivity of the sensor.
  • the converters available on the market always have one or more of the following disadvantages, e.g. too little sensitivity, too little opening angle of the sound radiation, no closed housing shape, insufficient resistance to mechanical influences from the outside, too high mechanical quality. Furthermore, they are often too complex to operate and thus difficult to implement in terms of production technology.
  • the converter is said to continue in a robust, resilient Housing executable and inexpensive in large quantities - to be manufactured.
  • an ultrasonic transducer in which a membrane is arranged in a holder and a piezoelectric disk is applied to a rear main surface of the membrane.
  • the diameter of the piezoelectric disc is between 60% and 85% of the diameter of the membrane.
  • a first substance is foamed onto the rear main surface of the membrane.
  • Piezokera ik and the membrane leads to a large opening angle of the sound radiation when the material is foamed.
  • the holder of the ultrasonic transducer which at the same time forms the housing, can be inexpensively manufactured in one piece with the membrane from a material, for example aluminum or an aluminum alloy (for example AICuMgPb).
  • a holder, which forms a cup-shaped structure with the membrane can thus provide a robust transducer which is sufficiently resistant to mechanical influences from the outside.
  • the transducer can be manufactured using simple processes, for example an extrusion process, and therefore fulfills the requirements Requirements for cost-effective production in large quantities.
  • the overall height of the aluminum housing significantly influences the properties of the converter.
  • the center frequency f of the ultrasound transducer is proportional to the ratio of the square membrane diameter D M 2 and membrane thickness d M.
  • the ceramic thickness d ⁇ in turn is proportional to the center frequency f, the relationship depending on the particular design.
  • the sensitivity and the associated mechanical quality of the vibration can also be influenced by the material on the back of the ceramic (first material).
  • a special ultrasonic transducer for use in object detection within a vehicle interior for example to control airbag ignition during an accident, operates at a center frequency of 70 kHz. At this frequency, the opening angle of the 6dB sound beam should be as large as possible. In such a system there is a requirement that all essential objects with the different surface structures and materials reflect a detectable echo signal back in the direction of the transducer. The sensitivity of the converter must therefore be as high as possible.
  • a converter with a membrane diameter of 8.85 ⁇ 0.02 mm, a membrane thickness of 0.83 ⁇ 0.02 mm and a ceramic thickness of 0.26 ⁇ 0.01 mm has proven particularly advantageous for this application.
  • a cylindrical holder with a wall thickness of at least 2.85 mm and a height of, for example, 6.83 mm is used in such a converter.
  • a cylindrical holder with a wall thickness of at least 2.85 mm and a height of, for example, 6.83 mm is used in such a converter.
  • smaller or larger heights of the holder are also possible.
  • the developed sensor fits into an existing occupancy detection system in a motor vehicle without any further changes to the control electronics.
  • the first material foamed on the back of the membrane preferably consists of open-celled, soft material, for example polyurethane foam or silicone foam.
  • transducer properties are achieved with polyurethane foam with a compression hardness (DIN 53577) of ⁇ 9 kPa and an acoustic loss factor (DIN 53426) of ⁇ 1.0.
  • a piezoceramic with a relative dielectric constant of> 2500, a radial electromechanical coupling factor of> 0.5 and a mechanical quality of ⁇ 300 is used as the piezoelectric disk.
  • a cup-shaped holder made of aluminum or an aluminum alloy, the bottom of which forms a membrane is first produced, for example by means of an extrusion process.
  • a piezoelectric disc is glued to the back of the membrane to make mechanical and electrical contact with the membrane.
  • One end of a thin wire is soldered onto the piezoelectric disk.
  • a first fabric is placed in the cup-shaped holder on the back of the Foamed membrane so that the membrane and piezoelectric disk are completely covered by the material.
  • the ultrasound transducer according to the invention is of course also extremely suitable for other air-ultrasound applications that specify similar boundary conditions for the essential transducer properties, for example for distance measurement or position detection systems. Due to the wide sound beam, the sensor is particularly suitable for room monitoring.
  • the invention is based on a
  • Fig. 4 show the converter of Figure 1 in front view.
  • the converter consists of a cylindrical aluminum housing (1).
  • An aluminum membrane (2) forms the bottom of the housing.
  • the aluminum housing of the converter is manufactured as a turned part.
  • Piezoceramic disc (3) for example made of a PZT-5H ceramic, is glued concentrically with a thin adhesive with pressure into the aluminum pot (on the back of the membrane (2)).
  • An electrode of the ceramic which is glued to the membrane surface, has electrical contact with the aluminum housing (1) via the membrane.
  • the earth connection is ensured by a copper pin (6) which is driven into the aluminum housing.
  • Another method can also be selected for ground contact.
  • the copper pin is connected via a thin wire (8) to a cable (10) that connects the converter to the control electronics.
  • the other electrode of the ceramic (3) is connected to a further thin wire (9) via a soldering point (7) on the edge of the ceramic.
  • the soldering point (7) on the edge of the ceramic minimizes the influence on the vibration properties of the system.
  • the wire (9) between the ceramic electrode and the cable (10) must be very light in order to avoid a further influencing factor on the vibration properties of the system.
  • FIG. 2 A rear view of the sensor with aluminum housing (1), aluminum membrane (2), glued-in ceramic disc (3), soldering point (7) and ground contact (6) can be seen in FIG. 2.
  • the selected diaphragm diameter creates the desired opening angle (here:> 45 ° with a lateral 3dB sound pressure drop;> 55 ° with a lateral 6dB sound pressure drop) and is based on the overall vibration system tuned to effectively generate the bending vibration.
  • the dimensions of the overall housing height, as well as the thickness and diameter of the ceramic disk were optimized with regard to the vibration behavior of the system. The thickness of the ceramic has less influence on the vibration behavior than the diameter.
  • the components of the ultrasonic transducer (sensor) have the following dimensions:
  • Thickness of the housing wall d G 2.85 mm
  • Diameter of the housing D G 14.55 mm
  • Diameter of the membrane D M 8.85 mm. Thickness of the membrane D M : 0.83 mm
  • FIGS. 3 and 4 show a rear view and a front view of the complete ultrasound transducer.

Abstract

Disclosed is an ultrasonic transducer that can be used as a transmitter and a receiver in pulse echo applications, especially in automobiles, to detect objects inside the automobile, i.e. for controlling air bag ignition during an accident. The inventive ultrasonic transducer comprises a membrane (2) with a piezoelectric plate (3) on the back thereof. The diameter of the piezoelectric plate (3) is 60 % -85 % the diameter of the membrane (2). A material (4) made of a soft open cell material is foamed on the back of the main surface of the membrane (2). Advantageous features with respect to the sensitivity and the mechanical quality of the transducer are obtained by foaming said material. The cited ratio between the diameter of the piezo ceramic element (3) and the membrane (2) provides a large aperture angle of the sound radiation when said foamed material is used.

Description

ULTRASCHALLWANDLER MIT TOPFÖRMIGER HALTERUNG ULTRASONIC TRANSFORMER WITH POT SHAPED BRACKET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für den Einsatz als Sender und Empfänger in Puls-Echo-Anwendungen, bei denen das Übertragungsmedium für die Schallwelle Luft ist.The present invention relates to an ultrasonic transducer for use as a transmitter and receiver in pulse-echo applications in which the transmission medium for the sound wave is air.
Ein besonderes Einsatzgebiet des Ultraschallwandlers als Sensor betrifft den Kfz-Bereich. Hier besteht ein Bedarf an Wandlern zur Objekterkennung innerhalb eines Fahrzeuginnenraums, beispielsweise zur Kontrolle der Airbagzundung während eines Unfalls.A particular area of application of the ultrasonic transducer as a sensor relates to the automotive sector. There is a need here for transducers for object detection within a vehicle interior, for example for checking the airbag ignition during an accident.
Auf dem Markt sind bereits zahlreiche Ultraschallwandler für derartige Anwendungen erhältlich. Als besonders effektive Schwingungsmode des Wandlers hat sich hierbei die Biegeschwingung einer Membran gezeigt. ZurNumerous ultrasonic transducers for such applications are already available on the market. The bending vibration of a membrane has proven to be a particularly effective vibration mode of the transducer. to
Schwingungserzeugung wird eine runde Piezokeramikscheibe zentrisch auf die Rückseite einer Membran aufgeklebt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die Keramik zu radialen Schwingungen angeregt. Aufgrund einer steifen Klebeverbindung mit der Membran ergibt sich eineA round piezoceramic disc is glued centrally to the back of a membrane to generate vibrations. The ceramic is excited to radial vibrations by applying an electric field. Due to a stiff adhesive connection with the membrane, one results
Biegeschwingung des Gesamtsystems. Auf der Rückseite der Membran ist weiterhin ein Stück Schaumstoff zur Dämpfung der Schwingung vorgesehen.Bending vibration of the overall system. On the back of the Membrane is also a piece of foam to dampen the vibration.
Die Parameter der Ultraschallschwingung werden durch die elastischen und sonstigen mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems bestimmt. Hierbei haben die elastischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und die geometrischen Abmessungen der eingesetzten Komponenten einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz, den Öffnungswinkel der Schallkeule, die Güte der Schwingung und die Empfindlichkeit des Sensors.The parameters of the ultrasonic vibration are determined by the elastic and other mechanical properties of the overall system. The elastic properties of the materials used and the geometric dimensions of the components used have an influence on the resonance frequency, the opening angle of the sound cone, the quality of the vibration and the sensitivity of the sensor.
Eine Vielzahl von Einflußfaktoren, die sich auch gegenseitig beeinflussen, bestimmt daher die physikalischen Wandlereigenschaften .A large number of influencing factors, which also influence one another, therefore determine the physical transducer properties.
Im obigen Anwendungsfall zur Kontrolle der Airbagzundung während eines Unfalls werden Eigenschaften des Wandlers gefordert, die in dieser Weise bisher von keinem der bekannten Wandler erfüllt werden. Die am Markt erhältlichen Wandler weisen stets einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf, so z.B. eine zu geringe Empfindlichkeit, einen zu kleinen Öffnungswinkel der Schallabstrahlung, keine geschlossene Gehäuseform, keine ausreichende Widerstandsfähigkeit bezüglich mechanischer Einwirkung von außen, eine zu große mechanische Güte. Weiterhin sind sie häufig zu aufwendig in der Funktionsweise und somit fertigungstechnisch schwer realisierbar.In the above application for checking the airbag ignition during an accident, properties of the converter are required that have not previously been met in this way by any of the known converters. The converters available on the market always have one or more of the following disadvantages, e.g. too little sensitivity, too little opening angle of the sound radiation, no closed housing shape, insufficient resistance to mechanical influences from the outside, too high mechanical quality. Furthermore, they are often too complex to operate and thus difficult to implement in terms of production technology.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der bei einem großen Öffnungswinkel eine hohe Empfindlichkeit bei möglichst geringer Güte aufweist. Der Wandler soll weiterhin in einem robusten, widerstandsfähigen Gehäuse ausführbar und in großen Stückzahlen günstig - herstellbar sein.It is therefore an object of the present invention to provide an ultrasonic transducer and a method for its production which, with a large opening angle, have a high sensitivity with the lowest possible quality. The converter is said to continue in a robust, resilient Housing executable and inexpensive in large quantities - to be manufactured.
Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler und dem Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers und des Verfahrens zu seiner Hestellung sind Gegenstand der Unteransprüche .The object is achieved with the ultrasonic transducer and the method according to the features of claims 1 and 15. Advantageous embodiments of the ultrasonic transducer and the method for its production are the subject of the subclaims.
Erfindungsgemäß wird ein Ultraschallwandler vorgeschlagen, bei dem eine Membran in einer Halterung angeordnet und eine piezoelektrische Scheibe auf einer rückseitigen Hauptfläche der Membran aufgebracht ist. Der Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe beträgt zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran. Auf die rückseitige Hauptfläche der Membran ist ein erster Stoff aufgeschäumt. Durch das Aufschäumen dieses Stoffes können besonders vorteilhafte Eigenschaften des Wandlers hinsichtlich Empfindlichkeit und mechanischer Güte erreicht werden. Das angegebene Verhältnis zwischen dem Durchmesser derAccording to the invention, an ultrasonic transducer is proposed in which a membrane is arranged in a holder and a piezoelectric disk is applied to a rear main surface of the membrane. The diameter of the piezoelectric disc is between 60% and 85% of the diameter of the membrane. A first substance is foamed onto the rear main surface of the membrane. By foaming this material, particularly advantageous properties of the transducer in terms of sensitivity and mechanical quality can be achieved. The specified ratio between the diameter of the
Piezokera ik und der Membran führt bei aufgeschäumtem Stoff zu einem großen Öffnungswinkel der Schallabstrahlung.Piezokera ik and the membrane leads to a large opening angle of the sound radiation when the material is foamed.
Die Halterung des Ultraschallwandlers, die gleichzeitig das Gehäuse bildet, kann zusammen mit der Membran einstückig aus einem Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (z.B. AICuMgPb) , kostengünstig gefertigt werden. Durch eine Halterung, die mit der Membran eine topfförmige Struktur bildet, läßt sich somit ein robuster, gegen mechanische Einwirkung von außen ausreichend widerstandsfähiger Wandler bereitstellen. Der Wandler kann mit einfachen Verfahren, beispielsweise durch ein Fließpreßverfahren hergestellt werden und erfüllt daher die Anforderungen an eine kostengünstige Fertigung in hohen Stückzahlen.The holder of the ultrasonic transducer, which at the same time forms the housing, can be inexpensively manufactured in one piece with the membrane from a material, for example aluminum or an aluminum alloy (for example AICuMgPb). A holder, which forms a cup-shaped structure with the membrane, can thus provide a robust transducer which is sufficiently resistant to mechanical influences from the outside. The transducer can be manufactured using simple processes, for example an extrusion process, and therefore fulfills the requirements Requirements for cost-effective production in large quantities.
Insbesondere die Dicke und der Durchmesser der Keramik, die Dicke und der Durchmesser der Membran sowie dieIn particular the thickness and the diameter of the ceramic, the thickness and the diameter of the membrane and the
Gesamthöhe des Aluminiumgehäuses beeinflussen wesentlich die Eigenschaften des Wandlers. So ist die Mittenfrequenz f des Ultraschallwandlers proportional zum Verhältnis von quadratischem Membrandurchmesser DM 2 und Membrandicke dM. Die Keramikdicke dκ wiederum ist proportional der Mittenfrequenz f, wobei der Zusammenhang vom jeweiligen Design abhängt. Die Empfindlichkeit und die damit zusammenhängende mechanische Güte der Schwingung ist außerdem durch das Material auf der Rückseite der Keramik (erster Stoff) beeinflußbar.The overall height of the aluminum housing significantly influences the properties of the converter. The center frequency f of the ultrasound transducer is proportional to the ratio of the square membrane diameter D M 2 and membrane thickness d M. The ceramic thickness d κ in turn is proportional to the center frequency f, the relationship depending on the particular design. The sensitivity and the associated mechanical quality of the vibration can also be influenced by the material on the back of the ceramic (first material).
Ein spezieller Ultraschallwandler für die Anwendung zur Objekterkennung innerhalb eines Fahrzeuginnenraums, beispielsweise zur Kontrolle der Airbagzundung während eines Unfalls, arbeitet bei einer Mittenfrequenz von 70 kHz. Bei dieser Frequenz soll der Öffnungswinkel der 6dB-Schallkeule möglichst groß sein. Bei einem solchen System besteht die Forderung, daß alle wesentlichen Objekte mit den verschiedenen Oberflächenstrukturen und Materialien ein detektierbares Echo-Signal in Richtung des Wandlers zurückreflektieren. Die Empfindlichkeit des Wandlers muß also möglichst hoch sein.A special ultrasonic transducer for use in object detection within a vehicle interior, for example to control airbag ignition during an accident, operates at a center frequency of 70 kHz. At this frequency, the opening angle of the 6dB sound beam should be as large as possible. In such a system there is a requirement that all essential objects with the different surface structures and materials reflect a detectable echo signal back in the direction of the transducer. The sensitivity of the converter must therefore be as high as possible.
Besonders vorteilhaft erweist sich für diese Anwendung erfindungsgemäß ein Wandler mit einem Membrandurchmesser 8.85 ± 0.02 mm, einer Membrandicke 0.83 ± 0.02 mm und einer Keramikdicke 0.26 ± 0.01 mm.According to the invention, a converter with a membrane diameter of 8.85 ± 0.02 mm, a membrane thickness of 0.83 ± 0.02 mm and a ceramic thickness of 0.26 ± 0.01 mm has proven particularly advantageous for this application.
Weiterhin wird bei einem solchen Wandler eine zylinderförmige Halterung mit einer Wandstärke von mindestens 2.85 mm und einer Höhe von beispielsweise 6.83 mm eingesetzt. Es versteht sich jedoch von selbst, daß auch kleinere oder größere Höhen der Halterung durchaus möglich sind.Furthermore, a cylindrical holder with a wall thickness of at least 2.85 mm and a height of, for example, 6.83 mm is used in such a converter. However, it goes without saying that smaller or larger heights of the holder are also possible.
Der entwickelte Sensor fügt sich ohne weitere Änderungen der Ansteuerungselektronik in ein bestehendes Besetztdetektionssystem in einem Kfz ein.The developed sensor fits into an existing occupancy detection system in a motor vehicle without any further changes to the control electronics.
Der erste, rückseitig auf die Membran aufgeschäumte Stoff besteht vorzugsweise aus offenzelligem, weichem Material, beispielsweise Polyurethanschaum oder Silikonschaum.The first material foamed on the back of the membrane preferably consists of open-celled, soft material, for example polyurethane foam or silicone foam.
Besonders vorteilhafte Wandlereigenschaften werden hierbei mit Polyurethanschaum mit einer Stauchhärte (DIN 53577) von < 9 kPa und einem akustischen Verlustfaktor (DIN 53426) von < 1.0 erzielt.Particularly advantageous transducer properties are achieved with polyurethane foam with a compression hardness (DIN 53577) of <9 kPa and an acoustic loss factor (DIN 53426) of <1.0.
In einer besonderen Ausführungsform wird als piezoelektrische Scheibe eine Piezokeramik mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von > 2500, einem radialen elektromechanischen Kopplungsfaktor von > 0.5 und einer mechanischen Güte von < 300 eingesetzt.In a particular embodiment, a piezoceramic with a relative dielectric constant of> 2500, a radial electromechanical coupling factor of> 0.5 and a mechanical quality of <300 is used as the piezoelectric disk.
Bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers wird zunächst eine topfförmige Halterung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren Boden eine Membran bildet, beispielsweise mittels eines Fließpreßverfahrens hergestellt. Auf die Rückseite der Membran wird eine piezoelektrische Scheibe aufgeklebt, um einen mechanischen und elektrischen Kontakt zur Membran herzustellen. Auf die piezoelektrsiche Scheibe wird ein Ende eines dünnen Drahtes aufgelötet. Schließlich wird ein erster Stoff in der topfförmigen Halterung auf die Rückseite der Membran aufgeschäumt, so daß Membran und piezoelektrische Scheibe von dem Stoff vollständig bedeckt sind.In the manufacture of the ultrasonic transducer according to the invention, a cup-shaped holder made of aluminum or an aluminum alloy, the bottom of which forms a membrane, is first produced, for example by means of an extrusion process. A piezoelectric disc is glued to the back of the membrane to make mechanical and electrical contact with the membrane. One end of a thin wire is soldered onto the piezoelectric disk. Finally, a first fabric is placed in the cup-shaped holder on the back of the Foamed membrane so that the membrane and piezoelectric disk are completely covered by the material.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist selbstverständlich auch für andere Luft-Ultraschall- Anwendungen, die ähnliche Randbedingungen an die wesentlichen Wandlereigenschaften vorgeben, beispielsweise für Abstandsmessungs- oder Positionserfassungssysteme, hervorragend geeignet. Aufgrund der breiten Schallkeule eignet sich der Sensor in besonderem Maße zur Raumüberwachung .The ultrasound transducer according to the invention is of course also extremely suitable for other air-ultrasound applications that specify similar boundary conditions for the essential transducer properties, for example for distance measurement or position detection systems. Due to the wide sound beam, the sensor is particularly suitable for room monitoring.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einesThe invention is based on a
Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert, in denenEmbodiment and the drawings explained in more detail in which
Fig. 1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Wandler im Querschnitt,1 shows an example of a transducer according to the invention in cross section,
Fig. 2 den Wandler aus Figur 1 in Rückansicht ohne den ersten Stoff (4) und den zweiten Stoff (5),2 the transducer from FIG. 1 in a rear view without the first material (4) and the second material (5),
Fig. 3 den Wandler aus Figur 1 in Rückansicht vollständig, undFig. 3, the converter of Figure 1 in rear view completely, and
Fig. 4 den Wandler aus Figur 1 in Vorderansicht zeigen.Fig. 4 show the converter of Figure 1 in front view.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Fig. 1 zeigt den Wandler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt. Der Wandler besteht aus einem zylinderförmigen Aluminiumgehäuse (1) . Den Boden des Gehäuses bildet eine Aluminium-Membran (2) . Das Aluminiumgehäuse des Wandlers wird als Drehteil hergestellt. EineA preferred embodiment of the invention will now be explained with reference to FIGS. 1 and 2. 1 shows the converter according to a preferred embodiment in cross section. The converter consists of a cylindrical aluminum housing (1). An aluminum membrane (2) forms the bottom of the housing. The aluminum housing of the converter is manufactured as a turned part. A
Piezokeramikscheibe (3), beispielsweise aus einer PZT-5H- Keramik, wird mit einem dünnflüssigen Kleber mit Druck in den Aluminiumtopf (auf die Rückseite der Membran (2) ) konzentrisch eingeklebt. Eine Elektrode der Keramik, die auf die Membranfläche geklebt wird, hat über die Membran elektrischen Kontakt zum Aluminiumgehäuse (1). Die Masseverbindung wird durch einen Kupferstift (6) gewährleistet, der in das Aluminiumgehäuse getrieben wird. Bei Fertigung großer Stückzahlen kann zur Massekontaktierung auch ein anderes Verfahren gewählt werden. Der Kupferstift ist über einen dünnen Draht (8) mit einem Kabel (10) verbunden, das den Wandler mit der Ansteuerelektronik verbindet. Die andere Elektrode der Keramik (3) wird über einen Lötpunkt (7) am Rand der Keramik mit einem weiteren dünnen Draht (9) verbunden. Durch das Anbringen desPiezoceramic disc (3), for example made of a PZT-5H ceramic, is glued concentrically with a thin adhesive with pressure into the aluminum pot (on the back of the membrane (2)). An electrode of the ceramic, which is glued to the membrane surface, has electrical contact with the aluminum housing (1) via the membrane. The earth connection is ensured by a copper pin (6) which is driven into the aluminum housing. When manufacturing large quantities, another method can also be selected for ground contact. The copper pin is connected via a thin wire (8) to a cable (10) that connects the converter to the control electronics. The other electrode of the ceramic (3) is connected to a further thin wire (9) via a soldering point (7) on the edge of the ceramic. By attaching the
Lötpunktes (7) am Rand der Keramik wird der Einfluß auf die Schwingungseigenschaften des Systems minimiert. Der Draht (9) zwischen Keramikelektrode und Kabel (10) muß sehr leicht sein, um einen weiteren Einflußfaktor auf die Schwingungseigenschaften des Systems zu vermeiden.The soldering point (7) on the edge of the ceramic minimizes the influence on the vibration properties of the system. The wire (9) between the ceramic electrode and the cable (10) must be very light in order to avoid a further influencing factor on the vibration properties of the system.
Eine Rückansicht des Sensors mit Aluminiumgehäuse (1), Aluminium-Membran (2), eingeklebter Keramikscheibe (3), Lötpunkt (7) und Masse-Kontaktierung (6) ist Figur 2 zu entnehmen. Der gewählte Membrandurchmesser erzeugt den gewünschten Öffnungswinkel (hier: >45° bei einem lateralen 3dB Schalldruckabfall; >55° bei einem lateralen 6dB Schalldruckabfall) und ist auf das Gesamtschwingungssystem abgestimmt, um die Biegeschwingung effektiv zu erzeugen. Bei dem beispielhaften System wurden die Abmessung der Gesamtgehäusehöhe, sowie Dicke und Durchmesser der Keramikscheibe bezüglich des Schwingungsverhaltens des Systems optimiert. Die Dicke der Keramik hat dabei einen geringeren Einfluß auf das Schwingungsverhalten als der Durchmesser.A rear view of the sensor with aluminum housing (1), aluminum membrane (2), glued-in ceramic disc (3), soldering point (7) and ground contact (6) can be seen in FIG. 2. The selected diaphragm diameter creates the desired opening angle (here:> 45 ° with a lateral 3dB sound pressure drop;> 55 ° with a lateral 6dB sound pressure drop) and is based on the overall vibration system tuned to effectively generate the bending vibration. In the exemplary system, the dimensions of the overall housing height, as well as the thickness and diameter of the ceramic disk were optimized with regard to the vibration behavior of the system. The thickness of the ceramic has less influence on the vibration behavior than the diameter.
Im vorliegenden Beispiel weisen die Komponenten des Ultraschallwandlers (Sensors) folgende Abmessungen auf:In the present example, the components of the ultrasonic transducer (sensor) have the following dimensions:
Dicke der Gehäusewandung dG: 2,85 mmThickness of the housing wall d G : 2.85 mm
Höhe der Gehäusewandung hG: 6,83 mmHeight of the housing wall h G : 6.83 mm
Durchmesser des Gehäuses DG: 14,55 mmDiameter of the housing D G : 14.55 mm
Durchmesser der Membran DM: 8,85 mm Dicke der Membran dM: 0,83 mmDiameter of the membrane D M : 8.85 mm. Thickness of the membrane D M : 0.83 mm
Durchmesser der Keramikscheibe Dκ: 6,75 mmDiameter of the ceramic disc D κ : 6.75 mm
Dicke der Keramikscheibe dκ: 0,26 mmThickness of the ceramic disc d κ : 0.26 mm
Dabei sind alle geometrischen Abmessungen der beteiligten Komponenten genau einzuhalten, um ein unter allen Aspekten optimiertes System für genannten Anwendungsfall zu erhalten.All geometrical dimensions of the components involved must be strictly observed in order to obtain a system that is optimized in all aspects for the application mentioned.
Ein wesentlicher Parameter des Sensors ist die mechanische Güte. Der rückseitig aufgeschäumte erste StoffAn important parameter of the sensor is the mechanical quality. The first material foamed on the back
(4) bestimmt die Dämpfung der Membranschwingung. Ebenso kann die die Wandstärke des Topfes eine Rolle spielen. Die elastischen Eigenschaften des ersten Stoffes (4) beeinflussen das Resonanzverhalten nur in geringerem Maße und erlauben durch Einsatz von Materialien unterschiedlicher Dämpfung eine bessere Möglichkeit, die mechanische Güte des Wandlers einzustellen. Ein weiterer, rückseitig auf den ersten Stoff (4) aufgebrachter zweiter Stoff (5) dient dazu, die Ausbreitung einer Schallwelle entgegen der Richtung der abstrahlenden Membran zu verhindern und ist in seinem Einfluß auf das Resonanzverhalten des Gesamtsystems abgestimmt. Das Material des zweiten Stoffes (5) ist ein Polyurethan und erfüllt außerdem die Aufgabe, den Übergang zwischen dem sehr leichten Draht, der die Elektroden kontaktiert, und dem schwereren Anschlußkabel zu sichern. Das Ausmaß der Bedeckung der Membran bzw. der Ausfüllung des Aluminiumgehäuses durch die ersten und zweiten Stoffe (4,5) können Figur 1 entnommen werden. Im Beispiel beträgt der Abstand des oberen Randes des zweiten Stoffes (5) vom oberen Rand der Gehäusewandung (1) 1,17 mm. Die Figuren 3 und 4 zeigen schließlich noch eine Rückansicht und eine Vorderansicht des vollständigen Ultraschallwandlers . (4) determines the damping of the membrane vibration. The wall thickness of the pot can also play a role. The elastic properties of the first material (4) influence the resonance behavior only to a lesser extent and, by using materials with different damping, allow a better possibility of adjusting the mechanical quality of the transducer. Another second substance (5) applied to the back of the first substance (4) serves to prevent the propagation of a sound wave against the direction of the radiating membrane and its influence is coordinated with the resonance behavior of the overall system. The material of the second material (5) is a polyurethane and also fulfills the task of securing the transition between the very light wire that contacts the electrodes and the heavier connecting cable. The extent to which the membrane is covered or the aluminum housing is filled with the first and second substances (4, 5) can be seen in FIG. 1. In the example, the distance between the upper edge of the second material (5) and the upper edge of the housing wall (1) is 1.17 mm. Finally, FIGS. 3 and 4 show a rear view and a front view of the complete ultrasound transducer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ultraschallwandler, insbesondere für den Einsatz als Sender und Empfänger in Puls-Echo Anwendungen, bei dem eine Membran in einer Halterung angeordnet und eine piezoelektrische Scheibe auf einer rückseitigen Hauptfläche der Membran aufgebracht ist, wobei der Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran beträgt, und ein erster Stoff auf die rückseitige Hauptfläche der Membran aufgeschäumt ist.1. Ultrasonic transducer, in particular for use as a transmitter and receiver in pulse-echo applications, in which a membrane is arranged in a holder and a piezoelectric disk is applied to a rear main surface of the membrane, the diameter of the piezoelectric disk being between 60% and 85 % of the diameter of the membrane, and a first substance is foamed onto the rear major surface of the membrane.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung zusammen mit der Membran einstückig aus einem Material gefertigt ist.2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the holder is made together with the membrane in one piece from one material.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.3. Ultrasonic transducer according to claim 2, characterized in that the material is aluminum or an aluminum alloy.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung mit der Membran eine topfförmige Struktur bildet.4. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the holder forms a cup-shaped structure with the membrane.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mittenfrequenz von 70 kHz der5. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 4, characterized in that for generating a center frequency of 70 kHz
Membrandurchmesser 8.85 ± 0.02 mm, die Membrandicke 0.83 + 0.02 mm und die Keramikdicke 0.26 ± 0.01 mm betragen. Diaphragm diameter 8.85 ± 0.02 mm, the membrane thickness 0.83 + 0.02 mm and the ceramic thickness 0.26 ± 0.01 mm.
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylinderförmige Halterung mit einer Wandstärke von mindestens 2.85 mm und einer Höhe von ca. 6 mm eingesetzt wird.6. Ultrasonic transducer according to claim 5, characterized in that a cylindrical holder with a wall thickness of at least 2.85 mm and a height of about 6 mm is used.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe auf die Membran aufgeklebt ist.7. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piezoelectric disc is glued to the membrane.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe eine Piezokeramik ist.8. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piezoelectric disc is a piezoceramic.
9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramik eine relative Dielektrizitätskonstante von > 2500, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor von > 0.5 und eine mechanische Güte von < 300 aufweist.9. Ultrasonic transducer according to claim 8, characterized in that the piezoceramic has a relative dielectric constant of> 2500, an electromechanical coupling factor of> 0.5 and a mechanical quality of <300.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus offenzelligem, weichem Material besteht.10. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first substance consists of open-celled, soft material.
11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus Polyurethanschaum oder Silikonschaum besteht. 11. Ultrasonic transducer according to claim 10, characterized in that the first material consists of polyurethane foam or silicone foam.
12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus Polyurethanschaum mit einer Stauchhärte von < 9 kPa und einem akustischen Verlustfaktor von < 1.0 besteht.12. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the first material consists of polyurethane foam with a compression hardness of <9 kPa and an acoustic loss factor of <1.0.
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Stoff ein zweiter Stoff vorgesehen ist.13. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 12, characterized in that a second substance is provided on the first substance.
14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode der piezoelektrischen Scheibe über die Membran und die Halterung mit Masse verbunden, und eine zweite Elektode der piezoelektrischen Scheibe über einen dünnen am Rand der Scheibe angelöteten Draht kontaktiert ist.14. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 13, characterized in that a first electrode of the piezoelectric disc is connected via the membrane and the holder to ground, and a second electrode of the piezoelectric disc is contacted via a thin wire soldered to the edge of the disc.
15. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit folgenden Verfahrensschritten:15. A process for producing an ultrasonic transducer with the following process steps:
Herstellung einer topfförmigen Halterung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren Boden eine Membran bildet, Aufkleben einer piezoelektrischen Scheibe auf die Rückseite der Membran, so daß ein mechanischer und elektrischer Kontakt zur Membran hergestellt wird, Auflöten eines Endes eines dünnen Drahtes auf die piezoelektrsiche Scheibe, Aufschäumen eines ersten Stoffes in der topfförmigenManufacture of a pot-shaped holder made of aluminum or an aluminum alloy, the bottom of which forms a membrane, sticking a piezoelectric disk to the back of the membrane so that mechanical and electrical contact is made with the membrane, soldering one end of a thin wire onto the piezoelectric disk, foaming of a first substance in the pot-shaped
Halterung auf die Rückseite der Membran, so daß Membran und piezoelektrische Scheibe von dem Stoff vollständig bedeckt sind. Mount on the back of the membrane so that the membrane and the piezoelectric disk are completely covered by the material.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Stoff ein zweiter Stoff aufgebracht wird, der die Ausbreitung einer Schallwelle entgegen der gewünschten Richtung der abstrahlenden Membran verhindern soll. 16. The method according to claim 15, characterized in that a second substance is applied to the first substance, which is intended to prevent the propagation of a sound wave against the desired direction of the radiating membrane.
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