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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultraschalltransducer und
spezieller einen Ultraschalltransduceraufbau, der in einen Sensor
eingebaut bzw. aufgenommen werden kann, um das Vorhandensein und/oder
die Entfernung von Objekten zu erfassen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ultraschallmeßsysteme
liefern eine effiziente und wirkungsvolle Methode zum Erfassen von
Objekten, wie sie beispielsweise in automatischen industriellen
Fertigungsprozessen verwendet werden können. Diese Sensoren erfordern
die Verwendung eines Transducers, um Ultraschallsignale zu erzeugen. Beispielsweise
erzeugt ein Transducer für
solche Sensoren typischerweise ein Ultraschallsignal, das in Richtung
eines Objektes übertragen
wird, und ein Rücksignal
oder reflektiertes Signal wird von dem Transducer erfaßt. Ein
an den Transducer angeschlossener Prozessor verarbeitet das empfangene Signal
und bestimmt das Vorhandensein eines Objekts und/oder den Abstand
zu einem Objekt auf Basis der verstrichenen Zeit zwischen den übertragenen
und den empfangenen Signalen.
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Piezokeramische
Ultraschalltransducer des Standes der Technik, wie z. B. diejenigen
zur Verwendung in luftbasierten Time-of-Flight- bzw. Flugzeitanwendungen,
wurden im allgemeinen so ausgestaltet, daß sie sehr gute, weitreichende
Erfassungsfähigkeiten
aufweisen. Bei der Ausgestaltung dieser Sensoren wurde es typischerweise
als wünschenswert
erachtet, den Q-Wert, d. h. die Resonanz, des Transducers zu maximieren
und die Betriebsfrequenz zu minimieren. Ein hoher Q-Wert führt zu einer größeren Verstärkung eines
zurückgegebenen
bzw. zurückkehrenden
Signals, und eine niedrige Frequenz dient dazu, die Abschwächung von
Ultraschall in Luft zu reduzieren, da die Abschwächung eine Funktion der Frequenz
ist. Solche Transducer gemäß dem Stand
der Technik wurden typischerweise als dünne Scheiben aus keramischem
Material ausgestaltet, die herkömmlicherweise
den Vorteil eines hohen Q-Werts aufweisen.
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Aus
verschiedenen Gründen
unterliegen die Verbesserung der Effizienz und die Reduzierung der Kosten
für die
Herstellung kreisförmiger
Keramikscheiben Beschränkungen,
was wiederum mögliche Kostenreduzierungen
für Komponenten,
die die Keramikscheiben beinhalten, wie z. B. in Sensoren eingebaute
Transducer, begrenzt. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine alternative
Ausgestaltung für
einen Sensortransducer bereitzustellen, die eine Resonatorkomponente
mit einem Formfaktor oder einer Form, der bzw. die zu einer effizienten
Herstellung sowohl der Resonatorkomponente als auch des zusammengesetzten
Transducers beiträgt,
beinhalten kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschalltransduceraufbau zur Verwendung
beim Abtasten bzw. Erfassen der Position von Objekten in der Nähe des Transducers
bereitgestellt. Der Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet ein Substratelement
mit einer ebenen Oberfläche
und einer Umfangskante, eine benachbart zu der ebenen Oberfläche gehalterte
piezokeramische Resonatorplatte und einen Koppler, der mit einer
Oberfläche
der Resonatorplatte verbunden ist, für das akustische Koppeln der
Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit dem Koppler in Kontakt
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschalltransduceraufbau
zur Verwendung beim Abtasten der Position von Objekten in der Nähe des Transducers
bereitgestellt. Der Ultraschalltransduceraufbau beinhaltet ein Substratelement,
welches eine Leiterplatte aufweist, die eine ebene Oberfläche und
eine Umfangskante definiert, und eine piezokeramische Resonatorplatte
mit einer ebenen inneren Oberfläche,
die auf der ebenen Oberfläche
benachbart zur Umfangskante abgestützt bzw. gehaltert ist. Elektrische
Kontakte werden zwischen der Leiterplatte und der Resonatorplatte
bereitgestellt, um die Resonatorplatte mit einer Energieversorgung
zu verbinden. Der Transducer weist weiterhin einen Koppler auf,
welcher ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten
beinhaltet, wobei sich die erste Seite schräg bzw. quer zu einer Oberfläche der
Resonatorplatte erstreckt und mit dieser verbunden ist, für das akustische
Koppeln der Resonatorplatte mit einem Medium, welches mit der zweiten
Seite des Kopplers in Kontakt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor, welcher einen Ultraschalltransduceraufbau
beinhaltet, zur Verwendung beim Abtasten der Position von Objekten
in der Nähe
des Transducers bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet ein Substratelement
mit einer Leiterplatte, die eine ebene Oberfläche und eine Umfangskante definiert,
und einer rechteckigen piezokeramischen Resonatorplatte, die eine
längliche
große
Abmessung und eine kleine Abmessung definiert. Die Resonatorplatte
ist in freitragender bzw. einseitig angebrachter Beziehung auf dem
Substratelement gehaltert, wobei sich ihre längliche große Abmessung von der Umfangskante
des Substratelements erstreckt. Elektrische Kontakte werden zwischen
der Leiterplatte und der Resonatorplatte bereitgestellt, um die
Resonatorplatte mit einer Energieversorgung zu verbinden, wobei
einer der elektrischen Kontakte eine freitragende Halterung für die Resonatorplatte
auf dem Substratelement bildet. Der Sensor beinhaltet weiterhin
einen scheibenförmigen
Koppler, welcher ein ebenes Element mit einander gegenüberliegenden
ersten und zweiten Seiten aufweist. Die erste Seite erstreckt sich
schräg
zu einer Oberfläche
der Resonatorplatte und schließt
an diese an. Der Koppler wird durch die Resonatorplatte akustisch
angeregt, so daß er
ein Signal zu einem Objekt in der Nähe des Kopplers überträgt, und
der Koppler empfängt
reflektierte Signale von dem Objekt und überträgt sie an die Resonatorplatte.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Obwohl
die Beschreibung mit Patentansprüchen
abschließt,
die die vorliegende Erfindung speziell darlegen und klar beanspruchen,
wird davon ausgegangen, daß die
vorliegende Erfindung sich anhand der nachfolgenden Beschreibung
zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verstehen läßt, worin
gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
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1 eine
Seitenaufrißansicht
eines Sensorsystems, welches einen Transduceraufbau gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist, im Teilquerschnitt ist.
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht des Transduceraufbaus gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Kopplerendes des Transduceraufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die die Montage einer Resonatorplatte
an einem Leiterplattensubstrat für
den Transduceraufbau gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Kopplerendes eines Transduceraufbaus gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der alternativen Ausführungsform
von 5.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen, die ein Teil hiervon sind und in denen
zur Veranschaulichung und nicht zu Zwecken der Beschränkung eine
spezifische bevorzugte Ausführungsform gezeigt
ist, in der die Erfindung ausgeführt
werden kann. Es versteht sich, daß auch andere Ausführungsformen
verwendet werden können
und daß Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Gedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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1,
auf die nun Bezug genommen wird, zeigt einen Ultraschallsensor 10 zum
Feststellen bzw. Bestimmen des Vorhandenseins und der Entfernung
eines Objektes 12 in der Nähe des Sensors 10. Der
Sensor weist ein Gehäuse 14 und
einen Transduceraufbau 16 auf und beinhaltet ein dämpfendes Material 18,
welches den Transduceraufbau 16 innerhalb des Gehäuses 14 umgibt,
wie weiter unten beschrieben wird.
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Bezugnehmend
auf 2 beinhaltet der Transduceraufbau 16 ein
Substratelement 20, welches durch eine Leiterplatte definiert
ist, eine Transducer- oder Resonatorplatte 22 und einen
plattenartigen Koppler oder Kopplungsaufbau 24, der mit
der Resonatorplatte 22 verbunden ist und sich schräg zu dieser
erstreckt. Der Kopplungsaufbau 24 stellt eine Ultraschallschnittstelle
zwischen der relativ kleinen Resonatorplatte 22 und einem
Medium, wie Luft, welches den Raum zwischen dem Sensor 10 und
dem Objekt 12 ausfüllt,
bereit, wie in 1 durch den Bereich 15 dargestellt.
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Die
Resonatorplatte 22 kann aus jedem beliebigen geeigneten
piezoelektrischen Material hergestellt sein. In einer bevorzugten
Ausführungsform weist
die Resonatorplatte 22 eine piezokeramische Platte auf.
Insbesondere kann die Resonatorplatte 22 aus einem Bleizirkonattitanat,
wie PZT5A, hergestellt sein, welches beispielsweise von Morgan Electro
Ceramics, Bedford, Ohio, erhalten werden kann. Wünschenswerte, mit einem piezokeramischen
Material assoziierte Merkmale für
die vorliegende Anwendung umfassen eine hohe mechanisch-elektrische
Umwandlungseffizienz, eine im wesentlichen flache Temperaturantwort
und einen relativ hohen mechanischen Qualitätsfaktor (Qm), der im vorliegenden
Beispiel ungefähr
75 beträgt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 weist der Kopplungsaufbau 24 eine
beträchtliche
Oberfläche für die Übertragung
von Ultraschallenergie von der Resonatorplatte 22 auf das
Medium auf. In der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet der Kopplungsaufbau 24 eine
Membran 26, die eine erste Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 definiert.
Die Membran 26 kann in Reaktion auf Vibrations- bzw. Schwingungsenergie
von der Resonatorplatte 22 vibrieren. Die Membran 26 umfaßt ein steifes
oder starres Material und kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt
sein, einschließlich
Metall, Kunststoff oder einem Polymer, z. B. einem geformten duroplastischen
Polymer, wie einem Epoxidharz, jedoch nicht hierauf beschränkt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann die Membran 26 aus einer dünnen Platte aus nichtrostendem
Stahl hergestellt sein. Wie hier gezeigt, ist die Membran 26 der
vorliegenden Ausführungsform
ein dünnes
oder plattenartiges, scheibenförmiges
Teil, bei dem die Schwingungsenergie von der Resonatorplatte 22 im
wesentlichen in einer Richtung verteilt ist, die zu dem Substratelement 20 senkrecht
ist. Das heißt,
die akustischen Schwingungssignale verlaufen entlang eines in Umfangsrichtung
und radial von einer zentralen Position auf der Membran 26 geführten Pfades,
die an einer Öffnung 30 in
der Membran 26 definiert ist, zu einer äußeren Kante der Membran 26.
Es versteht sich, daß die
Membran 26 nicht auf ein scheibenförmiges Teil beschränkt ist
und auch ein plattenartiges Teil aufweisen kann, welches andere
Formen verkörpert.
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Der
Kopplungsaufbau 24 kann weiterhin ein Impedanzanpassungselement 32 aufweisen,
welches hier als ein scheibenförmiges
Element veranschaulicht ist, das über der Membran 26 positioniert ist.
Das Impedanzanpassungselement 32 definiert eine zweite,
nach außen
weisende Seite 34 des Kopplungsaufbaus 24. Das
Impedanzanpassungselement 32 beinhaltet ein Material, welches
so ausgewählt
ist, daß die
Kopplung der Ultraschallenergie von der Resonatorplatte 22 zu
dem Medium 15 maximiert wird, und typischerweise ein anderes
Material ist als das Material der Membran 26. Beispielsweise kann
das Impedanzanpassungselement 32 ein relativ elastisches
bzw. nachgiebiges Material, wie Gummi, ein Epoxidharzmaterial, ein
Polymer, Glas oder Kombinationen und/oder Gemische dieser Materialien
beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Verbindung mit
einem Luftmedium beinhaltet das Impedanzanpassungselement 32 ein
mit Glas gefülltes
Epoxidharzelement. Es versteht sich, daß, obwohl zu Zwecken der Beschreibung
der vorliegenden Ausführungsform
auf Luft als Medium Bezug genommen wird, das Material und der Aufbau
des Impedanzanpassungselements 32 so gewählt werden können, daß das Impedanzanpassungselement 32 für eine Kopplung
mit anderen Medien, einschließlich Flüssigkeiten
oder anderen Gasen, ausgestaltet ist. Darüber hinaus ist das Impedanzanpassungselement 32 nicht
auf die veranschaulichte scheibenförmige Ausgestaltung beschränkt und
kann auch andere Formen haben, wie beispielsweise eine Form, die zur
Form der Membran 26 paßt.
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Wie
in den 2 und 3 zu sehen ist, weist das Impedanzanpassungselement 32 einen Aussparungsbereich 31 für die Aufnahme
der Membran 26 auf. Die Oberfläche der Membran 26,
die der ersten Seite 28 gegenüberliegt, ist so angeordnet, daß eine Oberfläche 33 des
Impedanzanpassungselements 32 mit der Aussparung 31 in
Eingriff ist, für die Übertragung
von Ultraschallsignalen zwischen der Membran 26 und dem
Impedanzanpassungselement 32.
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Des
weiteren versteht es sich, daß es
in manchen Anwendungen des hier beschriebenen Sensors 10 möglich ist,
den Kopplungsaufbau 24 ohne ein Impedanzanpassungselement 32 auszugestalten.
Beispielsweise kann der Kopplungsaufbau 24 mit dem Material
der Membran 26 ausgestaltet sein, welches so gewählt ist,
daß eine
zufriedenstellende Kopplung bereitgestellt wird, um Ultraschallenergie
in effizienter Weise an das Medium zu übertragen und von diesem zu
empfangen.
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Ein
Isolationselement 35 ist benachbart zu der ersten Seite 28 des
Kopplungsaufbaus 24 angeordnet, d. h. hinter dem Impedanzanpassungselement 32 und
der Membran 26. Das Isolationselement 35 besteht
bevorzugt aus einem elastischen bzw. nachgiebigen Material und stellt
eine Isolationsschicht oder Barriere zum Isolieren zumindest der Membran 26 und
bevorzugt sowohl der Membran 26 als auch des Impedanzanpassungselements 32 gegenüber dem
dämpfenden
Material 18 innerhalb des Gehäuses 14 bereit. In
einer bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet das dämpfende
Material 18 ein Urethanmaterial, und das Isolationselement 35 beinhaltet
ein Silikonkautschukmaterial, d. h. einen Silikonschaumgummi, und
hat eine kreisförmige
Ausgestaltung mit einer zentralen Öffnung 37. Das Isolationselement 35 hat
vorzugsweise einen Außendurchmesser,
der im wesentlichen zum Durchmesser des Kopplungsaufbaus 24 paßt.
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Wie
in 2 zu sehen ist, ist das Substratelement 20 als
längliches
rechteckiges Element ausgestaltet mit einer oberen ebenen Oberfläche 36,
einer unteren ebenen Oberfläche 38 und
einer Umfangskante 40, die durch einander gegenüberliegende,
im allgemeinen parallele Seitenkanten 42, 44 bzw.
durch einander gegenüberliegende,
im allgemeinen parallele vordere und hintere Kanten 46, 48 definiert
wird. Ein Zungen- oder Laschenabschnitt 50 erstreckt sich
in freitragender Beziehung von der vorderen Kante 46 in
der Mitte zwischen den Seitenkanten 42, 44.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist die Resonatorplatte 22 so
gezeigt, daß sie
ein längliches
plattenartiges Element mit einer im wesentlichen ebenen inneren
Oberfläche 52,
einer im wesentlichen ebenen äußeren Oberfläche 54,
einer vorderen Kante 56, einer hinteren Kante 58 und
einander gegenüberliegenden
Seitenkanten 60, 62 aufweist. Eine große Abmessung
D1 ist zwischen den vorderen und hinteren
Kanten 56, 58 definiert, und eine kleine Abmessung
D2 ist zwischen den einander gegenüberliegenden
Seitenkanten 60, 62 definiert. Die Resonatorplatte 22 ist
so angeordnet, daß ihre
innere Oberfläche 52 auf
oder neben der oberen Oberfläche 36 des Substratelements 20 liegt
und daß ihre
große
Abmessung D1 sich von der vorderen Kante 46 des
Substratelements 20 über
den Laschenabschnitt 50 erstreckt. Die vordere Kante 56 der
Resonatorplatte 22 liegt neben einer vorderen Kante 59 des
Laschenabschnitts 59. Die kleine Abmessung D2 der
Resonatorplatte 22 ist im wesentlichen gleich einer Breite
des Laschenabschnitts 50, gemessen zwischen einander gegenüberliegenden
Seiten 64 und 66 des Laschenabschnitts 50.
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Die
Resonatorplatte 22 ist parallel zu dem Substratelement 20 ausgerichtet
und ist vorzugsweise auf einem ersten Kontaktblock 68 positioniert,
der auf dem Substratelement 20 liegt, um einen elektrischen
Kontakt zwischen der inneren Oberfläche 52 und dem ersten
Kontaktblock 68 zu bilden. Der Kontaktblock 68 weist
vorzugsweise einen erhöhten
Abschnitt auf, der sich oberhalb des Substratelements 20 erstreckt,
um die Resonatorplatte 22 in freitragender Beziehung beabstandet
von dem Substratelement 20 zu haltern. Somit gibt es vorzugsweise
einen Luftspalt zwischen der inneren Oberfläche 52 der Resonatorplatte 22 und
der oberen Oberfläche 36 des Substratelements 20.
Zusätzlich
ist ein Oberdraht 70 vorgesehen, welcher sich zwischen
der äußeren Oberfläche 54 und
einem zweiten Kontaktblock 72 auf dem Substratelement 20 erstreckt.
Die ersten und zweiten Kontaktblöcke 68, 72 weisen
Leiter auf, die elektrisch an eine Energieversorgung 74 und
den Prozessor 76 (siehe 2) auf dem
Substratelement 20 angeschlossen sind. Die elektrischen
Anschlüsse bzw.
Verbindungen von den Kontaktblöcken 68, 72 können durch
jeweilige elektrische Leiterbahnen 69, 73 gebildet
werden, die in die Leiterplatte eingeätzt sind, welche das Substratelement 20 definiert,
siehe 2 und 4. Es versteht sich, daß entweder
die Energieversorgung 74 oder der Prozessor 76 oder beide
durch eine Leiterplattenstruktur auf dem Substratelement 20 in
herkömmlicher
Weise definiert sein können
oder alternativ von dem Substratelement 20 entfernt angeordnet
sein können.
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
einen einzelnen Träger
beinhaltet, d. h. den ersten Kontaktblock 68, um die Resonatorplatte 22 zu
haltern, kann die Resonatorplatte 22 auch von einem oder
mehreren zusätzlichen
Trägern
gehaltert werden. Beispielsweise kann die Resonatorplatte 22 auf einem
Paar von Trägern
gehaltert sein, die benachbart zu in Längsrichtung verlaufenden Enden
der Resonatorplatte 22 positioniert sind, wobei wenigstens einer
der Träger
vorzugsweise einen elektrischen Kontakt mit der elektrischen Leiterbahn 69 bildet.
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In
einem Verfahren zum Zusammensetzen bzw. Montieren des Transduceraufbaus 16 kann
die Resonatorplatte 22 mittels einer Vorrichtung, die einen
Aufnahme- und Absetzvorgang ausführt,
um die Resonatorplatte 22 auf dem Laschenabschnitt 50 zu positionieren,
und sich über
den ersten Kontaktblock 68 erstreckt, an dem Substratelement 20 angebracht werden.
Der Oberdraht 70 kann in einem automatisch ablaufenden
Vorgang, wie z. B. einem Vorgang, bei dem eine Mehrzahl von vorbereiteten
Oberdrähten 70 in
Form einer herkömmlichen
Band-Spulen-Zuführung
zugeführt
wird, an dem Substratelement 20 angebracht werden. Jeder
aufeinanderfolgende Oberdraht 70 kann so angeordnet werden, daß ein vertikaler
Abschnitt desselben mit dem zweiten Kontaktblock 72 in
Eingriff kommt und daß ein
horizontaler Abschnitt des Oberdrahts 70 über der
oberen Oberfläche
der Resonatorplatte 22 in Eingriff ist, um einen elektrischen
Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche 54 und
dem elektrischen Leiter 73 der Leiterplatte über den
zweiten Kontaktblock 72 zu bilden, siehe 4.
In der veranschaulichten Ausführungsform
ist ein Loch in dem zweiten Kontaktblock 72 für die Aufnahme
des vertikalen Abschnitts des Oberdrahts 70 gezeigt, jedoch
ist ein solches Loch nicht erforderlich, um die vorliegende Erfindung
zu implementieren.
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Das
Anbringen der Resonatorplatte 22 an dem Substratelement 20 kann
mit einem Anbringungsverfahren durchgeführt werden, welches das Anordnen
anderer Komponenten auf dem Substratelement 20 umfaßt. Speziell
können
die Resonatorplatte 22 und der Oberdraht 70 zusammen
mit anderen Komponenten, einschließlich derjenigen, die den Prozessor 76 und
die Energieversorgung 74 bilden, auf der das Substratelement 20 definierenden
Leiterplatte angeordnet werden und einem herkömmlichen Reflow-Oberflächenmontage-Prozeß (Surface Mount
Technology – SMT)
unterzogen werden, um die Komponenten mit der Leiterplatte zu verbinden. Somit
wird durch den SMT-Reflow-Prozeß eine
Seite der Resonatorplatte 22 direkt an der Leiterplatte
des Substratelements 20 angebracht. Des weiteren stellt das
Anbringen der Resonatorplatte 22 mittels SMT-Reflow eine
Anbringung mit hoher Integrität
bereit, die im Vergleich zu bekannten Anbringungsformen und Verfahren,
die typischerweise für
das Anbringen von piezokeramischen Ultraschallkomponenten gemäß Stand
der Technik an Leiterplatten oder ähnlichen Befestigungsstrukturen
verwendet werden, im allgemeinen weniger Teile und weniger Arbeitsaufwand
erfordert.
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Im
Anschluß an
das Anbringen der Resonatorplatte 22 an dem Substratelement 20 wird
der Kopplungsaufbau 24 zumindest an der äußeren Oberfläche 54 der
Resonatorplatte 22 so ange bracht, daß er neben der vorderen Kante 56 liegt
und sich in einer orthogonalen Beziehung zur Ebene der Resonatorplatte 22 erstreckt.
insbesondere ist die zentrale Öffnung 30 in
der Membran 26 über
dem Ende der Resonatorplatte 22 positioniert, und die vordere
Kante 56 der Resonatorplatte 22 ist so positioniert,
daß sie
mit einer inneren Fläche 33 des
Impedanzanpassungselements 32 in Eingriff oder dicht dazu
benachbart ist. Zusätzlich
ist das Isolationselement 35 an der zweiten Seite 28 des
Kopplungsaufbaus 24 angeordnet, wobei sich die Resonatorplatte 22 durch
seine zentrale Öffnung 37 erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Membran 26 und das Impedanzanpassungselement 32 mit
der Resonatorplatte 22 so verbunden, daß die innere Oberfläche 33 des
Impedanzanpassungselements 32 mit der vorderen Kante 56 der
Resonatorplatte 22 verbunden ist. Darüber hinaus erfolgt typischerweise
auch eine Verbindung zwischen den anderen Oberflächen der Resonatorplatte 22,
d. h. inneren und äußeren Oberflächen 52 und 54 und
Seitenkanten 60, 60, den Oberflächen 36, 38, 59, 64 und 66 an
dem Laschenabschnitt 50 und der Oberfläche der Membran 26 neben der Öffnung 30.
Mit anderen Worten, alle zueinander benachbarten Oberflächen der
Membran 26, der Resonatorplatte 22 und des Laschenabschnitts 50 können durch
die Verbindung miteinander verbunden werden. Typischerweise kann
die Verbindung über eine
Epoxidharzbindung 80 bewerkstelligt werden, die am Ende
der Resonatorplatte 22 angebracht ist und so eine mechanische
Verbindung zwischen den Komponenten Resonatorplatte 22 und
Membran 26 und Impedanzanpassungselement 32 des
Kopplungsaufbaus 24 bildet und das Isolationselement 35 an
der zweiten Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 anklebt.
Die Epoxidharzbindung 80 fixiert zusätzlich den Kopplungsaufbau 24 an
dem Laschenabschnitt 50 des Substratelements 20,
so daß der
Kopplungsaufbau 24 von dem Substratelement 20 gehaltert wird,
wobei die zweite Seite 28 des Kopplungsaufbaus 24 neben
der vorderen Kante 46 des Substratelements 20 liegt
und hierzu beabstandet ist.
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Dementsprechend
wird die Übertragung
von Ultraschallenergie zwischen der Resonatorplatte 22 und
dem Kopplungsaufbau 24 durch die mechanische Bindung vereinfacht,
die durch die Epoxidharzbindung 80 gebildet wird. Durch
die Kopplung mit der Resonatorplatte 22 zeigt der Kopplungsaufbau 24 bei den
Betriebsfrequenzen der Resonatorplatte 22, die in der vorliegend
beschriebenen Ausführungsform
im Bereich von ungefähr
100 kHz bis ungefähr
1 MHz liegen können,
eine gute Übertragung
und Impedanzanpassung an das Medium.
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Ein
Vorteil des Aufbaus des hier beschriebenen Transduceraufbaus 16 betrifft
den Aufbau der Resonatorplatte 22 und ihre Anbringung an
dem Substratelement 20. Speziell ist die geometrische Ausgestaltung
der Resonatorplatte 22 derart, daß eine Mehrzahl der Resonatorplatten 22 aus
einer einzigen Bahn aus keramischem Material erhalten werden kann.
Insbesondere kann eine Bahn aus keramischem Material, wie beispielsweise
PZT5A, so hergestellt und gerillt oder geschnitten werden, daß eine Mehrzahl
von einzelnen rechteckigen Stücken
entsteht, die im wesentlichen den gewünschten Abmessungen der Resonatorplatte 22 entsprechen.
Somit können mehrere
Resonatorplatten 22 mit minimalem Abfall- oder Restmaterial
hergestellt werden, verglichen mit der Bildung von scheibenförmigen Transducerresonatoren
gemäß Stand
der Technik, die mehr Schritte erfordern, um die gewünschte Form
zu bilden, und bei denen auch die Materialien weniger effizient
eingesetzt werden.
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Weiterhin
vereinfacht, wie oben angemerkt, die Anordnung der Resonatorplatte 22 parallel
zu dem Substratelement 20 den automatischen Aufbau des
Transduceraufbaus 16, wie beispielsweise mittels eines
herkömmlichen
Aufnahme- und Absetzvorgangs. Im Gegensatz dazu erfordern bekannte
Montagevorgänge
für den
Aufbau von Transducerresonatoren, die nicht in paralleler Beziehung
zur Befestigungsstruktur, d. h. der Leiterplatte, angeordnet werden,
häufig
eine Bearbeitung des keramischen Resonators durch den Benutzer,
um den Resonator in effizienter Weise relativ zu der Befestigungsstruktur
anzuordnen. Dementsprechend trägt
eine Kombination der Effizienz bei der vorliegenden Transducergestaltung
zu einer leichten Herstellbarkeit und einem wirtschaftlichen Aufbau
bei.
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Es
sei angemerkt, daß die
vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die hier beschriebene,
spezielle rechteckige Form für
die Resonatorplatte 22 beschränkt ist. So können auch
andere Formen für
die Resonatorplatte 22 gewählt werden, obwohl eine Resonatorplatte 22 bevorzugt
ist, die einen Formfaktor hat, welcher eine wirtschaftliche Herstellung
der Resonatorplatte 22 vereinfacht.
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Ein
Beispiel einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in den 5 und 6 dargestellt,
in denen eine scheibenförmige
Resonatorplatte 122 auf einem Substratelement 120 in einer
Weise gehaltert ist, die derjenigen ähnlich ist, welche für die in
den 1–4 veranschaulichte Ausführungsform
beschrieben wurde, und wobei Elemente der Ausführungsform der 5 und 6,
die der Ausführungsform
der 1–4 entsprechen, mit
den gleichen Bezugszahlen plus 100 bezeichnet sind.
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Die
Resonatorplatte 122 beinhaltet vorzugsweise eine piezokeramische
Platte, ähnlich
dem Material, das oben für
die Resonatorplatte 22 beschrieben wurde. Die Resonatorplatte 122 kann
auf einem ersten Kontaktblock 168 derart gehaltert sein,
daß die
Resonatorplatte 122 im Abstand zu einer oberen ebenen Oberfläche 136 des
Substratelements 120 gehaltert ist, mit einem Luftspalt
zwischen der Resonatorplatte 122 und dem Substratelement 120.
Bevorzugt tritt der erste Kontaktblock 168 mit der Resonatorplatte 122 in
der geometrischen Mitte der Resonatorplatte 122 in Eingriff
und kann durch eine Lötverbindung 167 angebracht
sein, wie sie beispielsweise durch einen SMT-Reflow-Prozeß implementiert
werden kann, um eine elektrische Verbindung zwischen einer Elektrode
an der inneren Oberfläche 152 der
Resonatorplatte 122 und dem ersten Kontaktblock 168 zu
bilden. So ist die Resonatorplatte 122 in freitragender
Beziehung auf dem ersten Kontaktblock 168 gehaltert. Eine
zweite elektrische Verbindung zu einer Elektrode an der äußeren Oberfläche 154 der
Resonatorplatte 122 kann durch einen Oberdraht 170 bereitgestellt
werden, welcher sich zu einem Kontaktblock 172 auf dem
Substratelement 120 erstreckt, und kann mittels eines SMT-Reflow-Prozesses
angeschlossen werden.
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Ein
Koppler 124, der beispielsweise ein mit Glas gefülltes Epoxidharzelement
aufweist, befindet sich an der äußeren Oberfläche 154 der
Resonatorplatte 122, um eine Impedanzanpassung zwischen der
Resonatorplatte 122 und einem Medium bereitzustellen. Der
Koppler 124 kann mit einer Aussparung versehen sein, um
den Oberdraht 170 aufzunehmen, wo er an der oberen Oberfläche 154 der
Resonatorplatte 122 angebracht ist. Der Pfad für akustische
Signale, die von der Resonatorplatte 122 und dem Koppler 124 übertragen
und empfangen werden, erstreckt sich in einer Richtung, die im allgemeinen
orthogonal zu der ebenen Oberfläche 136 des Substratelements 120 ist.
Es sei angemerkt, daß in der
vorliegenden Ausführungsform
der Koppler 124 ohne Membran ausgestaltet ist, so daß die Resonatorplatte 122 die
Vibrationsenergie im wesentlichen über die gesamte Fläche des
Kopplers 124 verteilt, ohne daß eine Membran erforderlich
ist, um die Energie in radialer Richtung zu verteilen.
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Zusätzlich kann
eine Halterung oder ein Halterungsring 180 auf dem Substratelement 120 positioniert
sein, der im wesentlichen mit wenigstens einem Abschnitt eines äußeren Umfangsabschnitts
der inneren Oberfläche 152 der
Resonatorplatte 122 ausgerichtet ist. Der Halterungsring 180 erstreckt sich über die
Ebene der ebenen Oberfläche 136 und beinhaltet
eine obere Oberfläche 182,
die vorzugsweise um einen relativ kleinen Abstand von der inneren
Oberfläche 152 der
Resonatorplatte 122 beabstandet ist. Der Halterungsring 180 kann
mit der inneren Oberfläche 152 in
Eingriff kommen, um die Hebelkräfte
zu beschränken,
die an dem Befestigungspunkt mit dem ersten Kontaktblock 168 wirken
können.
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Während bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden,
ist es für
Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, daß verschiedene weitere Veränderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und
dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die anhängenden Ansprüche sollen
daher alle solche Veränderungen und
Modifikationen abdecken, die innerhalb des Schutzumfangs dieser
Erfindung liegen.