DE10040344A1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, insbesondere vom Längsschwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten angeordneten piezoelektrischen Element und wenigstens einem Spannorgan, mit dem das piezoelektrische Element über die Spannabschnitte vorgespannt ist, wobei als Spannorgan eine ringförmige Spannfeder vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, insbesondere vom Längs­ schwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten an­ geordneten piezoelektrischen Element und wenigstens einem Spannorgan, mit dem das piezoelektrische Element über die Spannabschnitte vorge­ spannt ist.

Der artige Ultraschallwandler werden auch als zusammengesetzte Längs­ schwinger oder λ/2-Schwinger bezeichnet. Das mit Elektrodenflächen ver­ sehene piezoelektrische Element wird derart polarisiert und kontaktiert, daß beim Anlegen einer Wechselspannung geeigneter Frequenz die Ge­ samtstruktur in Resonanz bezüglich der axialen Richtung gelangt. Das zwischen den Spannabschnitten angeordnete Piezoelement befindet sich dabei in einem Bereich maximaler mechanischer Spannung und minima­ ler mechanischer Schwingungsgeschwindigkeit. Die Abstrahlung des Ul­ traschalls erfolgt von der freien Stirnseite eines der als Wellenleiter wir­ kenden Spannabschnitte. Um eine möglichst hohe Sendeleistung bei aus­ reichender Stabilität der Anordnung zu erreichen, wird das piezoelektri­ sche Element über die Spannabschnitte mittels eines Spannorgans vorge­ spannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler der eingangs ge­ nannten Art mit möglichst geringer Baugröße zu schaffen, bei dem eine möglichst große Vorspannung des piezoelektrischen Elementes erzielt werden kann, ohne daß die Schwingungseigenschaften des Ultraschall­ wandlers nachteilig beeinträchtigt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale, wonach als Spannorgan eine ring­ förmige Spannfeder vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung ausgebildet ist.

Durch das Vorsehen einer Umfangsaussparung in einem ringförmigen Spannorgan wird bei minimaler axialer Baulänge ein maximaler Federweg erzielt. Durch den im Vergleich zur Baulänge großen Federweg können hohe Vorspannungen des piezoelektrischen Elementes realisiert werden, ohne dabei die zulässige Belastbarkeit der Spannfeder zu überschreiten. Daher ist die Spannfeder auch bei hohen Vorspannungen zu Schwingun­ gen in der Lage, die den Betrieb des Ultraschallwandlers nicht beeinträch­ tigen.

Durch die geringe axiale Baulänge der erfindungsgemäßen Spannfeder wirkt diese lediglich mit den unmittelbar an das piezoelektrische Element angrenzenden Bereichen der Spannabschnitte zusammen. In diesen Be­ reichen sind die Schwingungsamplituden und Schwingungsgeschwindig­ keiten klein. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Spannfeder mit den beiden Spannabschnitten verschraubt, indem diese unter Zwischenlage des piezoelektrischen Elementes von entgegengesetzten Seiten in die ring­ förmige Spannfeder eingeschraubt werden. Durch die erfindungsgemäß ermöglichte minimale axiale Baulänge wird vermieden, daß die Spannfeder mit den Spannabschnitten an axial weit vom piezoelektrischen Element entfernten Gewindebereichen starker Schwingungsaktivität zusammen­ wirkt. Störende Dämpfungswirkungen in den Gewindebereichen werden auf diese Weise vermieden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Spannfeder durch geeignete Dimensionierung der Umfangsaussparung gezielt an den jeweiligen Ultra­ schallwandler angepaßt werden kann. In vorteilhafter Weise kann die Um­ fangsaussparung derart dimensioniert werden, daß bei der jeweils ge­ wünschten Sollvorspannung für das piezoelektrische Element einerseits ein ausreichender Federweg vorhanden ist und andererseits die maximal zulässige Spannung oder Belastbarkeit des die Spannfeder bildenden Ma­ terials nicht überschritten ist.

Des weiteren kann die Umfangsaussparung gezielt - insbesondere auch in Abhängigkeit von den Abmessungen der Spannfeder selbst - derart be­ messen werden, daß im Arbeitsfrequenzbereich des Ultraschallwandlers keine Eigenschwingungsmoden der Spannfeder auftreten. Insbesondere der Betrieb von breitbandigen Längsschwingern wird dadurch im Haupt­ übertragungsfrequenzbereich oder Arbeitsfrequenzbereich durch die Spannfeder nicht beeinträchtigt. Außerdem kann die Spannfeder durch entsprechende Ausgestaltung der Umfangsaussparung derart ausgebildet werden, daß auch solche Eigenschwingungsmoden der Spannfeder ver­ mieden werden, die zwar außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ul­ traschallwandlers liegen, aber dennoch zu nachteiligen Störungen von dessen Betrieb führen können.

Erfindungsgemäß kann daher auf einfache Weise eine Optimierung des Eigenschwingungsspektrums der Spannfeder in Abhängigkeit von den Ei­ genschaften oder dem Betriebsverhalten des jeweiligen Ultraschallwand­ lers erfolgen.

Die aufgrund der Erfindung möglichen großen Federwege haben den Vor­ teil, daß der Einfluß von Änderungen der Umgebungsparameter wie z. B. der Temperatur auf den Betrieb des Ultraschallwandlers minimal ist und Alterungsvorgänge im Federwerkstoff kompensiert werden. Erfindungsge­ mäß läßt sich also eine hohe Resistenz gegen variierende Arbeits- bzw. Umgebungsbedingungen und gegen Alterung erzielen.

Die Umfangsaussparung ist vorzugsweise schlitz- oder spaltförmig ausge­ bildet. Des weiteren erstreckt sich die Umfangsaussparung in radialer Richtung bevorzugt durch die ganze Wandung der Ringfeder, d. h. vorzugs­ weise ist die Wandung der Ringfeder über den Winkelbereich der Um­ fangsaussparung in axialer Richtung unterbrochen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Umfangsaussparung zumindest teilweise mit einem schwingungs­ dämpfenden Material gefüllt ist. Störende Ein- und Ausschwingvorgänge können durch eine derartige Maßnahme gezielt gedämpft und auf diese Weise unwirksam gemacht werden.

Bevorzugt wird ein Vergußmaterial eingesetzt, mit dem die Umfangsaus­ sparung ausgegossen wird.

Von besonderem Vorteil ist das Vorsehen einer die Umfangsaussparung zumindest teilweise ausfüllenden Dämpfungsmasse in Anwendungen, bei denen mit dem Ultraschallwandler kurze Ultraschallimpulse ausgesendet bzw. empfangen werden sollen, da hierbei der Ein- und Ausschwingfunk­ tion des Ultraschallwandlers in meßtechnischer Hinsicht eine große Be­ deutung zukommt.

Eine besonders gute Anpassung der Spannfeder an die jeweiligen Anforde­ rungen ist dann möglich, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfüh­ rung die Spannfeder zwei axial beabstandete Umfangsaussparungen auf­ weist.

Mit einer derartigen zweistufigen Konstruktion können hohe Vorspannun­ gen bei gleichzeitig großen Federwegen erzielt werden, ohne die axiale Baulänge wesentlich zu erhöhen und ohne die Vermeidung von störenden Eigenschwingungsmoden wesentlich zu erschweren.

Grundsätzlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch durch das Vorsehen von drei oder mehr Umfangsaussparungen zufrieden­ stellend gelöst. Die Umgehung bzw. Unterdrückung der störenden Eigen­ schwingungsmoden ist dann allerdings mit größerem Aufwand verbunden. In derartigen Fällen kann es vorteilhaft sein und ist es erfindungsgemäß möglich, die Bauteile des Ultraschallwandlers in Abhängigkeit von den optimierten Eigenschaften der Spannfeder zu dimensionieren, anstatt die Spannfeder an den Ultraschallwandler anzupassen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine geschnittene Seitenan­ sicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers zeigt.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler umfaßt zwei zylindrische Spannabschnitte 12, 14, von denen der eine 12 aus einem schweren Me­ tall wie z. B. Stahl und der andere 14 aus einem leichten Metall, insbeson­ dere Titan, Aluminium oder Magnesium hergestellt ist. Erfindungsgemäß kommen prinzipiell auch andere Materialien in Frage.

Die beiden Spannabschnitte 12, 14 sind jeweils mit einem Außengewinde 13, 15 versehen, über die sie mit dem Innengewinde 19 einer ringförmigen Spannfeder 18 verschraubt sind. Die Spannfeder 18 dient als ein Spann­ organ, mit dem ein piezoelektrisches Element 16 zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der mit der Spannfeder 18 verschraubten Spannabschnitte 12, 14 zusammengedrückt werden kann. Durch die Ein­ schraubtiefe der Spannabschnitte 12, 14 kann eine jeweils gewünschte Vorspannung des piezoelektrischen Elementes 16 eingestellt werden.

Das piezoelektrische Element 16 ist bevorzugt aus einer Piezokeramik hergestellt und kann - wie es in der Figur angedeutet ist - in mehrere Scheiben 16a, 16b aufgeteilt sein.

Die Piezoscheiben 16a, 16b sind mit flächigen Elektroden 28 versehen, die über Anschlüsse 32 mit einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz derart angesteuert werden können, daß die axiale Länge des piezoelektri­ schen Elementes 16, d. h. jeweils die Scheibendicke, entsprechend zeitlich variiert. Das Piezoelement 16 bildet somit eine axiale Kraftquelle, mit der bei passender Frequenz der angelegten Wechselspannung die Gesamt­ anordnung in axiale Schwingungen oder Längsschwingungen versetzt und dabei zu einer Längsresonanz angeregt werden kann.

Die freie Stirnseite des aus dem leichten Material hergestellten (in der Fi­ gur rechten) Spannabschnitts 14 dient dabei als Sende- und/oder Emp­ fangsfläche 34, über welche die Ultraschallsignale abgestrahlt bzw. über welche Ultraschallsignale empfangen werden.

Während das piezoelektrische Element 16 im Bereich größter mechani­ scher Spannung und kleinster Schwingungsgeschwindigkeit der Ge­ samtstruktur liegt, ist die Schwingungsgeschwindigkeit in der Ebene der Sende- und/oder Empfangsfläche 34 maximal. Dieser Effekt kann da­ durch verstärkt werden, daß der aus dem leichten Werkstoff bestehende Spannabschnitt 14 in Richtung der Sende- und/oder Empfangsfläche 34 verjüngend ausgebildet wird, wobei jedoch vor dem freien Ende der Durchmesser des Spannabschnitts 14 wieder derart zunimmt, daß die Sende- und/oder Empfangsfläche 34 von einem plattenförmigen Endab­ schnitt 50 gebildet wird. Auf diese Weise wird eine Gewichtsminimierung erzielt, wobei aufgrund der flächenvergrößernden Platte 50 die Größe der Sende- bzw. Empfangsfläche 34 nicht verringert wird. In der Figur ist eine derartige Ausgestaltung des Spannabschnitts 14 durch gestrichelte Linien lediglich schematisch angedeutet.

Allgemein wird eine derartige zusammengesetzte Struktur, bei der ein ein- oder mehrteiliges piezoelektrisches Element 16 zwischen zwei Spannab­ schnitten 12, 14 eingeklemmt ist, auch als Längsschwinger oder als λ/2-Schwinger bezeichnet.

Ein derartiger Ultraschallwandler wird beispielsweise in industriellen An­ wendungen zur Abstandsmessung und Durchflußmessung eingesetzt, in­ dem kurze Ultraschallimpulse abgesendet und empfangen werden.

Im in der Figur linken Spannabschnitt 12 ist ein zentraler Kanal 36 vorge­ sehen, dessen Mittelachse mit der Längsachse 27 der Gesamtanordnung zusammenfällt. Der Kanal 36 sowie zentrale Durchbrüche 17a, 17b in den Piezoscheiben 16a, 16b dienen zur Aufnahme von Anschlußleitungen 38 zur Ansteuerung der Elektroden 28 über die Anschlüsse 32, wobei dies in der Figur lediglich schematisch angedeutet ist.

Die Spannfeder 18 zum Vorspannen des Piezoelementes 16 weist eine ge­ ringe axiale Baulänge auf und ist in einem mittleren, im Bereich des Pie­ zoelementes 16 angeordneten Abschnitt bezüglich stirnseitiger Randab­ schnitte, in denen die Spannfeder 18 mit den Spannabschnitten 12, 14 verschraubt ist, radial nach außen erweitert.

In diesem mittleren Abschnitt sind in der Wandung der Spannfeder 18 zwei Umfangsaussparungen 22, 24 mit identischem rechteckigen Quer­ schnitt ausgebildet. An den Umfangsaussparungen 22, 24 ist die Wan­ dung der Spannfeder 18 vollständig durchtrennt, d. h. die Wandung der Spannfeder 18 ist durch die Aussparungen 22, 24 im entsprechenden Umfangsbereich in axialer Richtung unterbrochen.

Die Umfangsaussparungen 22, 24 erstrecken sich über einen in Abhän­ gigkeit von der jeweiligen Anwendung größeren oder kleineren Winkelbe­ reich, d. h. größeren oder kleineren Teil des Umfangs der Spannfeder 18. Dabei ist es bevorzugt, wenn die verbleibenden Umfangsabschnitte, die jeweils zwei der durch die Aussparungen 22, 24 axial getrennten Bereiche 18a, 18b, 18c der Spannfeder 18 miteinander verbinden, in Umfangs­ richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. So ist es beispielsweise möglich, die beiden Aussparungen 22, 24 jeweils derart auszubilden, daß sie in Umfangsrichtung lediglich durch einen vergleichsweise kurzen Steg unterbrochen sind, wobei die beiden Stege um 180° gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

Durch das Vorsehen der Aussparungen oder Schlitze oder Spalte 22, 24 werden in der Wandung der Spannfeder 18 Biegespannungszonen gebil­ det, die als Federelemente wirken. Dadurch wird der insgesamt zur Verfü­ gung stehende axiale Federweg der Spannfeder 18 vergrößert, ohne daß hierzu eine Vergrößerung von deren axialer Baulänge erforderlich ist.

Die Umfangsaussparungen 22, 24 sind in Abhängigkeit von den Abmes­ sungen, insbesondere der axialen Länge, der Spannfeder 18 derart bemes­ sen und angeordnet, daß im Arbeitsfrequenzbereich oder Hauptübertra­ gungsfrequenzbereich des Ultraschallwandlers keine Eigenschwingungen der Spannfeder 18 entstehen. Die Spannfeder 18 kann somit durch pas­ sende Ausgestaltung der Umfangsaussparungen 22, 24 in besonders ein­ facher Weise an den jeweiligen Ultraschallwandler bzw. an dessen gefor­ derten Betriebsparameter angepaßt werden.

Die Umfangsaussparungen 22, 24 sind des weiteren mit einer Dämp­ fungsmasse 26 ausgegossen, wodurch störende Ein- und Ausschwingef­ fekte gedämpft werden. Derartige Ein- und Ausschwingvorgänge können durch außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ultraschallwandlers liegende Eigenschwingungen der Spannfeder 18 angeregt werden. Prinzi­ piell ist ein zufriedenstellender Betrieb des erfindungsgemäßen Ultra­ schallwandlers auch ohne Ausgießen der Aussparungen 22, 24 möglich. Ohne das schwingungsdämpfende Material in den Umfangsaussparungen 22, 24 kann es allerdings unter bestimmten Konstellationen passieren, daß der Betrieb des Ultraschallwandlers durch die Eigenschwingungen der Ringfeder 18 beeinträchtigt wird. Dies wird durch das Material in den Aussparungen 22, 24 sicher vermieden.

Durch die Wahl eines passenden Dämpfungsmaterials 26, z. B. einer ela­ stischen Vergußmasse, kann die Spannfeder 18 gezielt an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.

Abweichend von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Er­ findung mit einer zweistufigen Aussparungs-, Schlitz- oder Spaltkon­ struktion kann die Spannfeder 18 auch lediglich mit einer einzigen Um­ fangsaussparung oder alternativ auch mit drei oder einer noch größeren Anzahl von Umfangsaussparungen versehen sein.

Bezugszeichenliste

12

Spannabschnitt

13

Außengewinde

14

Spannabschnitt

15

Außengewinde

16

piezoelektrisches Element

16

a Scheibe

16

b Scheibe

17

a Durchbruch

17

b Durchbruch

18

Spannorgan, Spannfeder

18

a Bereiche der Spannfeder

18

b Bereiche der Spannfeder

18

c Bereiche der Spannfeder

19

Innengewinde

22

Umfangsaussparung

24

Umfangsaussparung

25

Dämpfungsmaterial

26

Vergußmasse

27

Längsachse

28

Elektrode

32

Anschluß

34

Sende- und/oder Empfangsfläche

36

Kanal

38

Anschlußleitungen

50

plattenförmiger Endabschnitt

Claims (13)

1. Ultraschallwandler, insbesondere vom Längsschwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten (12, 14) ange­ ordneten piezoelektrischen Element (16) und wenigstens einem Spannorgan (18), mit dem das piezoelektrische Element (16) über die Spannabschnitte (12, 14) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannorgan eine ringförmige Spannfeder (18) vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung (22, 24) ausgebildet ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei axial beabstandete Umfangsaussparungen (22, 24) vor­ gesehen sind.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eigenschwingungsspektrum der Spannfeder (18) in Ab­ hängigkeit von dem jeweiligen Ultraschallwandler, insbesondere von dessen Arbeitsfrequenzbereich, optimiert ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) derart ausgebildet ist, daß im Arbeitsfre­ quenzbereich des Ultraschallwandlers Eigenschwingungen der Spannfeder (18) vermieden sind.

5. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) derart ausgebildet ist, daß Ein- und/oder Ausschwingvorgänge, die durch Eigenschwingungen der Spannfe­ der (18) außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ultraschall­ wandlers hervorgerufen werden, unterdrückt sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) zumindest teilweise mit ei­ nem schwingungsdämpfenden Material, insbesondere mit einer Vergußmasse (26), gefüllt ist.

7. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) schlitz- oder spaltförmig ist.

8. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) einen rechteckigen Quer­ schnitt aufweist.

9. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Begrenzungsflächen der Umfangsaussparung (22, 24) senkrecht zur Längsachse (27) der Spannfeder verlaufen.

10. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Spannfeder (18) an der Umfangsaussparung (22, 24) vollständig durchtrennt ist.

11. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) im Bereich der Umfangsaussparung (22, 24) gegenüber ihren stirnseitigen Randabschnitten radial nach außen erweitert ist.

12. Spannorgan für einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form einer ringförmigen Spannfeder (18) vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung (22, 24) ausgebildet ist.

13. Spannorgan nach Anspruch 12 mit den eine Spannfeder (18) be­ treffenden Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 11.