DE102022121692A1

DE102022121692A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE102022121692A1
Application number: DE102022121692.6A
Authority: DE
Inventors: Lung Chen; Yi-Ting Su; Yen-Chuan Chen
Original assignee: Unictron Technologies Corp
Current assignee: Unictron Technologies Corp
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2023-06-15
Also published as: US20230182173A1; TWI816253B; CN116263496A; TW202325417A

Abstract

Ein Ultraschallwandler (100), der ein piezoelektrisches Element (102) mit physikalischen Eigenschaften von Radialresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen und mit einer oberen Oberfläche (102a) und einer unteren Oberfläche (102b) gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element (102) und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche (102a) und die untere Oberfläche (102b) verbindet, und eine akustische Anpassungsschicht (104), die auf der oberen Oberfläche (102a) des piezoelektrischen Elements (102) angeordnet ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil (104a) und ein zweites Resonanzanpassungsteil (104b) aufweist, umfasst, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils (104a) in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche (102a) größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteil (104b) in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils (104a) zu einer Radialresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements (102) passt und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils (104b) zu einer anderen Radialresonanzfrequenz oder einer der Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements (102) passt.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Ultraschallwandler, und insbesondere auf einen Ultraschallwandler, der eine akustische Anpassungsschicht mit einem ersten Resonanzanpassungsteil und einem zweiten Resonanzanpassungsteil zum Anpassen unterschiedlicher Resonanzmodi aufweist.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Aktuelle Ultraschallwandler können bei einer Nah-Objekterfassung verwendet werden. Durch eine Berechnung der Laufzeit (auch als time of flight, ToF, bezeichnet) zwischen ausgesendeten Wellen und von Objekten reflektierten Wellen kann der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem erfassten Objekt erhalten werden. Auf dem Gebiet von Ultraschallerfassung sind die Arten und Eigenschaften von zu erfassenden Objekten nicht sehr einschränkend. Ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Teilchen mit verschiedenen Oberflächenfarben, Durchsichtigkeiten und Härten können alle durch Verwenden des Ultraschallwandlers erfasst werden. Deshalb wird heutzutage der Ultraschallwandler weit verbreitet auf Gebieten wie Parksensoren, Pegelsensoren, Mehrschichterfassung und Flussmeter verwendet.
Die Hauptkomponente eines Ultraschallwandlers ist ein Piezokeramikelement, zum Beispiel das aus Bleizirkonattitanat (PZT) bestehende Material, mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen, die mit leitfähigen Schichten beschichtet sind, um in dem Betrieb ein Hochfrequenzwechselstromsignal anzulegen, sodass die Piezokeramik eine Hochfrequenzvibration erzeugen würde. Diese Hochfrequenzvibration ist eine Art von Wellenenergie. Sie kann in einer Form einer Ultraschallwelle, d. h. einer Ultraschallvibration, vorliegen, wenn ihre Wellenlänge in den Bereich von Ultraschall fällt. Um jedoch die erzeugten Ultraschallwellen von der Piezokeramik in die Luft zu übertragen, sollten die akustischen Impedanzen der Piezokeramik und der Luft angepasst sein.
Die Formel zum Berechnen der akustischen Impedanz (Z) ist Z = ρ · c (ρ = Materialdichte, c = Ultraschallgeschwindigkeit). Die akustische Impedanz der Piezokeramik ist etwa 30-35 MRayl (10⁶kg/m² ·S), während die akustische Impedanz von Luft etwa 430 Rayl (kg/m² ·S) ist. Da es einen großen Abstand zwischen den akustischen Impedanzen der Piezokeramik und der Luft gibt, kann die durch die Piezokeramik erzeugte Ultraschallenergie nicht an die Luft übertragen werden. Deshalb wird die akustische Anpassungsschicht eine kritische Komponente in Ultraschallwandlern. Die akustische Anpassungsschicht ist so ausgelegt, dass sie zwischen der Piezokeramik und der Luft anzuordnen ist, um die akustischen Impedanzen derselben anzupassen, sodass die Ultraschallwelle effektiv an die Luft übertragen werden kann. Der ideale Wert einer akustischen Impedanz für die akustische Anpassungsschicht, die in dem Ultraschallluftwandler verwendet wird, ist (35tv) -430) Rayl, d. h. etwa 0,12 MRayl. Es ist jedoch schwierig, ein haltbares Material mit einer akustischen Impedanz kleiner als 1 MRayl in der Natur zu finden. Deshalb ist ein allgemein verwendetes Material der akustischen Anpassungsschicht in der Wandlerindustrie ein Verbundmaterial mit einem gemischten Polymerharz und hohlen Glasteilchen, um eine geringere akustische Impedanz zu erzielen und gleichzeitig eine bessere Witterungsbeständigkeit und Zuverlässigkeit bereitzustellen.
In einem anderen Aspekt kann die übliche Piezokeramik unterschiedliche Resonanzmodi, beispielsweise einen Radialresonanzmodus oder einen Dickenresonanzmodus, in verschiedenen Konfigurationen aufweisen. Die Ultraschallwelle, die durch die Piezokeramik in unterschiedlichen Resonanzmodi emittiert wird, hätte unterschiedliche Frequenzen und eine übliche akustische Anpassungsschicht kann die durch die Piezokeramik in unterschiedlichen Resonanzmodi emittierten Wellen nicht zur gleichen Zeit anpassen. Deshalb ist es weiterhin notwendig für diejenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet, die akustische Anpassungsschicht, die geeignet ist, in unterschiedlichen Resonanzmodi der Piezokeramik eingesetzt zu werden, zu erforschen und zu entwickeln.
Die Offenbarung der vorstehenden Hintergrundkenntnis dient nur der Hilfe zum Verständnis des Konzepts und der technischen Lösung der vorliegenden Anmeldung, und gehört nicht notwendigerweise zu dem Stand der Technik, der für die vorliegende Anmeldung relevant ist. Die vorstehende Hintergrundkenntnis soll ohne ausdrücklichen Beweis, der zeigt, dass der vorstehende Inhalt vor dem Einreichungsdatum der vorliegenden Anmeldung offenbart worden ist, nicht verwendet werden, um die Neuheit und den Innovationsumfang der vorliegenden Anmeldung zu evaluieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts der vorstehend genannten aktuellen Situation der herkömmlichen Kenntnisse ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ultraschallwandler zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäße Ultraschallwandler sind in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen davon. Insbesondere weist ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eine akustische Anpassungsschicht mit einem ersten Resonanzanpassungsteil und einem zweiten Resonanzanpassungsteil in unterschiedlichen Dicken auf, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Elements anzupassen.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht einen Ultraschallwandler vor, der ein piezoelektrisches Element mit Radialresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen und mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche und die untere Oberfläche verbindet, und eine akustische Anpassungsschicht, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil und ein zweites Resonanzanpassungsteil umfasst, aufweist, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils zu einer der Radialresonanzfrequenzen des piezoelektrischen Elements passt und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils zu einer anderen Radialresonanzfrequenz oder einer der Dickenresonanzfrequenzen des piezoelektrischen Elements passt.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht einen Ultraschallwandler vor, der ein piezoelektrisches Element mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche und die untere Oberfläche verbindet, und einen Träger mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche gegenüber voneinander durch den Träger aufweist, wobei die obere Oberfläche des piezoelektrischen Elements mit der inneren Oberfläche des Trägers verbunden ist und Biegeresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen aufweist, und eine akustische Anpassungsschicht, die mit der äußeren Oberfläche des Trägers verbunden ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil und ein zweites Resonanzanpassungsteil aufweist, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils in einer Richtung senkrecht zu der äußeren Oberfläche größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils zu einer der Biegeresonanzfrequenzen passt, die durch das piezoelektrische Element und einen Träger gebildet werden, und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils zu einer anderen Biegeresonanzfrequenz oder einer der Dickenresonanzfrequenzen passt, die durch das piezoelektrische Element und den Träger gebildet werden.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ohne Zweifel für diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Gebiet nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, welche in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen dargestellt ist, offensichtlicher.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu vermitteln, und sind in dieser Spezifikation eingeschlossen und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen einige der Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, ihre Prinzipien zu erklären. In den Zeichnungen:

1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Modus des Ultraschallwandlers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Graph einer Impedanz (Ω) gegenüber einer Frequenz (kHz) in unterschiedlichen Resonanzmodi eines piezoelektrischen Elements gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht, die einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist eine Querschnittsansicht, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Es sollte beachtet werden, dass alle Figuren schematisch sind. Relative Abmessungen und Proportionen von Teilen der Zeichnungen sind in den Zeichnungen einer Klarheit und Einfachheit wegen in einer Größe übertrieben oder reduziert gezeigt. Die gleichen Bezugszeichen werden allgemein verwendet, um auf korrespondierende oder ähnliche Merkmale in modifizierten oder unterschiedlichen Ausführungsformen zu verweisen.
Detaillierte Beschreibung
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen, welche einen Teil hiervon bilden, Bezug genommen, und sie wird mittels Darstellungen und spezifischer Ausführungsformen gezeigt, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen werden in ausreichenden Details beschrieben, um denjenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen. Abmessungen und Proportionen bestimmter Teile der Zeichnungen können einer Klarheit und Einfachheit in den Zeichnungen wegen in einer Größe übertrieben oder reduziert gezeigt sein. Andere Ausführungsformen können verwendet werden und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung soll deshalb nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird stattdessen durch die angehängten Ansprüche definiert.
Zuerst sei auf 1 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die einen Modus des Ultraschallwandlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform weist der Ultraschallwandler 100 ein piezoelektrisches Element 102 mit einer ersten Oberfläche 102a, einer zweiten Oberfläche 102b gegenüber der ersten Oberfläche 102a über das piezoelektrische Element 102 und einer seitlichen Oberfläche 102c, die die erste Oberfläche 102a und die zweite Oberfläche 102b verbindet, auf. Das piezoelektrische Element 102 kann ein piezoelektrisches Vollmaterial in der Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises oder ein ringförmiges piezoelektrisches Material oder ein aus einer mehrlagigen Keramikverarbeitung gefertigtes piezoelektrisches Material oder ein piezoelektrisches Material mit Vertiefungen aufweisen. Diese piezoelektrischen Materialien können ein bleihaltiges piezoelektrisches Material, wie Pb(ZrTi)O₃, PbTiO₃, oder ein bleifreies piezoelektrisches Material, wie BaTiO₃, (NaK)NbO₃, mit einer akustischen Impedanz von etwa 30-35 MRayl, viel größer als die akustische Impedanz von Luft (etwa 430 Rayl) aufweisen, somit wird eine akustische Anpassungsschicht benötigt, um die akustischen Impedanzen in diesen zwei Medien anzupassen. Die leitfähige Schicht auf dem piezoelektrischen Element 102 kann mit leitfähigen Drähten 106 verbunden sein, um ein externes Hochfrequenzwechselstromsignal elektrisch an das piezoelektrische Element 102 anzuschließen und eine Hochfrequenzschwingung zu erzeugen, um Ultraschallwellen zu emittieren. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine akustische Anpassungsschicht 104 auf der oberen Oberfläche 102a des piezoelektrischen Elements 102 angeordnet und berührt diese direkt. Allgemein ist die Dicke der akustischen Anpassungsschicht 104 in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche 102a des piezoelektrischen Elements 102 (die erste Richtung D1, d. h. eine Dickenrichtung oder axiale Richtung) ungefähr gleich 1/4 der Wellenlänge der Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz durch das piezoelektrische Element 102 in die akustische Anpassungsschicht 104 emittiert wird, sodass eine optimale Ultraschallübertragung erzielt wird.
Dennoch können übliche Piezokeramiken in unterschiedlichen Konfigurationen unterschiedliche Resonanzmodi aufweisen, zum Beispiel einen Radialresonanzmodus oder einen Dickenresonanzmodus. Die Ultraschallwelle, die durch die Piezokeramik in diesen unterschiedlichen Modi emittiert wird, weist unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Es sei auf 2 verwiesen, welche ein Graph einer Impedanz (Ω) gegenüber einer Frequenz (kHz) in unterschiedlichen Resonanzmodi eines piezoelektrischen Elements 102 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Es kann von der Figur gesehen werden, dass, wenn das piezoelektrische Element 102 eingeschaltet ist und eine Hochfrequenzschwingung erzeugt, es bei unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen unterschiedliche Impedanzen aufweist. Eine niedrigere Impedanz repräsentiert, dass das piezoelektrische Element 102 eine höhere Energieeffizienz in der Schwingung bei dieser Frequenz erzeugt, d. h. einen stabilen Resonanzzustand. Die Kurve in der Figur als Beispiel nehmend erzielt das piezoelektrische Element 102 eine relativ geringe Impedanz bei einer Resonanz bei einer niedrigeren Frequenz von 50 kHz, wobei es sich zu dieser Zeit in einem Radialresonanzmodus befindet, mit einem erheblichen Teil seiner Resonanzkraft in einer radialen Richtung (d. h. zweiten Richtung D2) des piezoelektrischen Elements 102 übertragend. In einem anderen Aspekt kann das piezoelektrische Element 102 auch eine relativ geringe Impedanz bei einer Resonanz bei einer höheren Frequenz von 200 kHz erzielen, wobei es sich zu dieser Zeit in einem Dickenresonanzmodus (oder als axialer Resonanzmodus bezeichnet) befindet, mit einem erheblichen Teil seiner Resonanzkraft in der Dickenrichtung (d. h. eine erste Richtung D1) des piezoelektrischen Elements 102 übertragend. Allgemein kann ein Verwenden eines Ultraschallwandlers mit einer Niedrigfrequenzresonanz einen Erfassungsbereich vergrößern, aber mit einem größeren Blindbereich und schlechterer Auflösung. Im Gegensatz dazu kann ein Verwenden eines Ultraschallwandlers mit einer Hochfrequenzresonanz zu einem kürzeren Erfassungsbereich führen, aber mit einem kleineren Blindbereich und einer besseren Auflösung.
Da das piezoelektrische Element 102 mit Eigenschaften in unterschiedlichen Resonanzmodi versehen ist und diese Modi durch ein Verändern der Frequenz einer angelegten Energie erzielt werden können, kann man somit abhängig von der Anwendung entscheiden, welcher Resonanzmodus des piezoelektrischen Elements zu verwenden ist. Obwohl das piezoelektrische Element 102 in unterschiedlichen Resonanzmodi betrieben werden kann, sind die unterschiedlichen Resonanzmodi durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen charakterisiert. Deshalb wird eine akustische Anpassungsschicht mit unterschiedlicher Dicke benötigt, um dazu zu passen. Es sei zurück auf 1 verwiesen. Wie in 1 gezeigt, bietet die vorliegende Erfindung eine akustische Anpassungsschicht 104 mit unterschiedlichen Dicken. Genauer ist die akustische Anpassungsschicht 104 der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Resonanzanpassungsteil 104a und einem zweiten Resonanzanpassungsteil 104b mit unterschiedlichen Dicken versehen, welche absichtlich und jeweilig zu einer Radialresonanzfrequenz und einer anderen Radialresonanzfrequenz oder Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 passen. Von dem Profil des Querschnitts sieht das zweite Resonanzanpassungsteil 104b aus wie eine Vertiefung an der Mitte des piezoelektrischen Elements 102, während das erste Resonanzanpassungsteil 104a das zweite Resonanzanpassungsteil 104b umgibt. Da die Radialresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 geringer ist (50 kHz), wäre die Ultraschallwellenlänge, die in diesem Modus emittiert wird, länger, somit wird eine akustische Anpassungsschicht mit einer größeren Dicke benötigt. Im Gegensatz dazu ist die Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 höher (200 kHz), die Ultraschallwellenlänge, die in diesem Modus emittiert wird, wäre kürzer, somit wird eine akustische Anpassungsschicht mit einer geringeren Dicke benötigt. In der Ausführungsform passt die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils 104a zu der Radialresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102, während die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils 104b zu einer anderen Radialresonanzfrequenz oder einer Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 passt.
Das Material der akustischen Anpassungsschicht 104 können organische Polymermaterialien oder Verbundmaterialien sein, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder Teilchen aus Vollmaterial bestehen. Das organische Polymermaterial umfasst Epoxid, Vinylesterharz, Acrylharz, Polyurethan oder UV-Harz. Die hohlen Teilchen oder Teilchen aus Vollmaterial können hohle Glasteilchen oder Vollmaterial-Glasteilchen als ein Füllmaterial sein, das gleichmäßig in den organischen Polymermaterialien zu verteilen ist, um eine Gesamtdichte der akustischen Anpassungsschicht 104 anzupassen. Die Dichte der hohlen Glasteilchen liegt zwischen 0,1 g/cm³ bis 0,6 g/cm³. Da die akustische Impedanz proportional zu der Dichte eines Materials ist, ist, je geringer die Dichte der akustischen Anpassungsschicht 104 ist, umso geringer die erhaltene akustische Impedanz, sodass eine bessere akustische Anpassung im Betrieb erzielt werden kann. Die akustische Anpassungsschicht 104 kann durch Hinzufügen der Glasteilchen mit einem unterschiedlichen Anteil pro Volumen in die organischen Polymermaterialien und eine Mischungs-, Entgasungs- und Aushärtungsbehandlung mit unterschiedlichen Dichten abgestimmt werden.
Es sei nun auf 3 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 100 in einem röhrenförmigen Träger 108 angeordnet sein. Der röhrenförmige Träger 108 ist mit einer oberen Öffnung 108a und einer unteren Öffnung 108b versehen, wobei die innere Oberfläche 108c des röhrenförmigen Trägers 108 die akustische Anpassungsschicht 104 umgibt und mit dieser verbunden ist. In einer anderen Ausführungsform kann die innere Oberfläche 108c des röhrenförmigen Trägers 108 auch mit dem piezoelektrischen Element 102 verbunden sein. Das erste Resonanzanpassungsteil 104a und das zweite Resonanzanpassungsteil 104b der akustischen Anpassungsschicht 104 sind von der oberen Öffnung 108a des röhrenförmigen Trägers 108 exponiert, und die leitfähigen Drähte 106 können sich durch die untere Öffnung 108b des röhrenförmigen Trägers 108 nach außen erstrecken. Der Querschnitt des röhrenförmigen Trägers 108 ist in der Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises. Das Material des röhrenförmigen Trägers 108 kann aus Metallmaterialen der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt werden: Aluminium (AI), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Edelstahl, oder wird von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Es sei nun auf 4 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 100 weiter ein Dämpfungselement 110 aufweisen, welches mit der unteren Oberfläche 102b des piezoelektrischen Elements 102 und der inneren Oberfläche 108c des röhrenförmigen Trägers 108 verbunden ist. Auf diese Weise kann das Dämpfungselement 110 wirksam puffern, um das Überschwingen des Ultraschallwandlers bei einer Hochfrequenzschwingung in dem Betrieb des piezoelektrischen Elements 102 zu verringern. In einer anderen Ausführungsform kann er auch mit zwei Dämpfungselementen mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten oder Härten versehen sein, um eine bessere Dämpfungswirkung zu erzielen. Das Material des Dämpfungselements 110 kann faseriges Elastomer sein, das insbesondere Silikon, Kautschuk, Gummi, Ethylenvinylazetat (EVA), Styrol-Elastomer, Polyester-Elastomer, Olefin-Elastomer, thermoplastisches Vulkanisat (TPV), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Epoxid, Holz, Kork, Holz-Kork-Filament, Polyester-Stapel, Wollfilz, Glasfaser oder Schaum aufweist.
Es sei nun auf 5 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 100 weiter eine Trägerplatte 112 aufweisen, die mit ihrer oberen Oberfläche mit dem Dämpfungselement 110 verbunden ist und mit ihrer seitlichen Oberfläche mit der inneren Oberfläche 108c des umgebenden röhrenförmigen Trägers 108 verbunden ist, sodass sie an dem röhrenförmigen Träger 108 fixiert ist und einen stabileren Stützeffekt für den Ultraschallwandler 100 bietet. Die Trägerplatte 112 ist auch mit Leitern oder Stiften 114 versehen, und das piezoelektrische Element 102 kann durch die leitfähigen Drähte 106 mit diesen Stiften 114 der Trägerplatte 112 verbunden sein und weiter durch die untere Öffnung des röhrenförmigen Trägers 108 nach außen geführt sein.
Es sei nun auf 6 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Anders als bei der vorstehenden Ausführungsform ist der Ultraschallwandler 100 in dieser Ausführungsform in einem tonnenförmigen Träger 109 angeordnet. Der tonnenförmige Träger 109 ist mit einer Oberseite 109a, einer unteren Öffnung 109b und einem Rumpf, der die Oberseite 109a und die untere Öffnung 109b verbindet, versehen. Weiter ist ein Loch 109d in der Mitte der Oberseite 109a ausgebildet. Das piezoelektrische Element 102 und die akustische Anpassungsschicht 104 sind in dem tonnenförmigen Träger 109 angeordnet, wobei das erste Resonanzanpassungsteil 104a der akustischen Anpassungsschicht 104 mit der inneren Oberfläche der Oberseite 109a des tonnenförmigen Trägers 109 verbunden ist, während das zweite Resonanzanpassungsteil 104b durch das Loch 109d exponiert ist. Die leitfähigen Drähte 106 können sich durch die untere Öffnung 109b des tonnenförmigen Trägers 109 nach außen erstecken. Der Querschnitt des tonnenförmigen Trägers 109 kann in der Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises vorliegen. Das Material des tonnenförmigen Trägers 109 kann aus Metallmaterialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt werden: Aluminium (AI), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Edelstahl, oder wird von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Es sei nun auf 7 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist kein Loch in der Oberseite 109a des tonnenförmigen Trägers 109 ausgebildet, und das zweite Resonanzanpassungsteil 104b der akustischen Anpassungsschicht 104 ist auch mit der inneren Oberfläche der Oberseite 109a des tonnenförmigen Trägers 109 verbunden. Diese Gestaltung ist geeigneter für den Ultraschallwandler, der in einer externen rauen Umgebung zu verwenden ist, um die akustischen Anpassungsschichten wirksam vor einem Schaden zu schützen.
Es sei nun auf 8 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 100 weiter ein Dämpfungselement 110 aufweisen, welches mit der unteren Oberfläche 102b des piezoelektrischen Elements 102 und der inneren Oberfläche 109c des tonnenförmigen Trägers 109 verbunden ist und weiter den Raum zwischen dem piezoelektrischen Element 102, der akustischen Anpassungsschicht 104 und dem tonnenförmigen Träger 109 füllt. Auf diese Weise kann das Dämpfungselement 110 wirksam puffern, um das Überschwingen des Ultraschallwandlers bei einer Hochfrequenzschwingung in dem Betrieb des piezoelektrischen Elements 102 zu verringern. In einer anderen Ausführungsform kann er auch mit zwei Dämpfungselementen mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten oder Härten versehen sein, um eine bessere Dämpfungswirkung zu erzielen. Das Material des Dämpfungselements 110 kann faseriges Elastomer sein, das insbesondere Silikon, Kautschuk, Gummi, Ethylenvinylazetat (EVA), Styrol-Elastomer, Polyester-Elastomer, Olefin-Elastomer, thermoplastisches Vulkanisat (TPV), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Epoxid, Holz, Kork, Holz-Kork-Filament, Polyester-Stapel, Wollfilz, Glasfaser oder Schaum aufweist.
Es sei nun auf 9 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 100 weiter eine Trägerplatte 112 aufweisen, die mit ihrer oberen Oberfläche mit dem Dämpfungselement 110 verbunden ist und mit ihrer seitlichen Oberfläche mit der inneren Oberfläche 109c des umgebenden tonnenförmigen Trägers 109 verbunden ist, sodass sie an dem tonnenförmigen Träger 109 fixiert ist und einen stabileren Stützeffekt für den Ultraschallwandler 100 bietet. Die Trägerplatte 112 ist auch mit Leitern oder Stiften 114 versehen, und das piezoelektrische Element 102 kann durch die leitfähigen Drähte 106 mit diesen Stiften 114 der Trägerplatte 112 verbunden sein und weiter durch die untere Öffnung 109b des tonnenförmigen Trägers 109 nach außen geführt sein.
Es sei nun auf 10 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Anders als bei den vorstehenden Ausführungsformen ist das piezoelektrische Element in dieser Ausführungsform nicht direkt mit der akustischen Anpassungsschicht verbunden. Wie in 10 gezeigt, weist der Ultraschallwandler 100 einen Träger 116 auf. Der Träger 116 ist mit einer inneren Oberfläche 116b und einer äußeren Oberfläche 116a gegenüber voneinander durch den Träger 116 versehen, und das piezoelektrische Element 102 ist auf der inneren Oberfläche 116b des Trägers 116 angeordnet, während die akustische Anpassungsschicht 105 auf der äußeren Oberfläche 116a des Trägers 116 angeordnet ist, wobei die Fläche des Trägers 116 größer ist als die Fläche einer Verbindungsebene zwischen dem piezoelektrischen Element 102 und der akustischen Anpassungsschicht 105. Ein Teil des Trägers 116 erstreckt sich von dem Umfang nach außen. In dieser Art einer Konfiguration wird, da das piezoelektrische Element 102 nicht direkt mit der akustischen Anpassungsschicht 105 verbunden ist und ein flacher Träger 116 dazwischen eine Schnittstelle bildet, der ursprüngliche Niederfrequenz-Radialresonanzmodus des piezoelektrischen Elements 102 in einen Biegeresonanzmodus geändert, wobei ein erheblicher Teil seiner Resonanzkraft zu dieser Zeit an den verbundenen Träger 116 übertragen wird und bewirkt, dass er sich biegt und vibriert. Auf diese Weise wird das piezoelektrische Element 102 verändert und mit relativ niedrigen Biegeresonanzfrequenzen und relativ hohen Dickenresonanzfrequenzen versehen, und die akustische Anpassungsschicht 105 wird mit einem relativ dicken ersten Resonanzanpassungsteil 105a und einem relativ dünnen zweiten Resonanzanpassungsteil 105b versehen, welche absichtlich und jeweilig zu einer der Biegeresonanzfrequenz und einer anderen Biegeresonanzfrequenz oder einer Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 passen. Das Material des Trägers 116 kann aus Metallmaterialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt werden: Aluminium (AI), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Edelstahl, oder wird von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Es sei nun auf 11 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch einen anderen Modus des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Anders als bei der vorstehenden Ausführungsform ist der Träger in dieser Ausführungsform ein tonnenförmiger Träger 118 und kein flacher Träger 116. Der tonnenförmige Träger 118 ist mit einer äußeren Oberfläche 118a und einer gegenüberliegenden inneren Oberfläche 118c versehen. Das piezoelektrische Element 102 ist in dem tonnenförmigen Träger 118 angeordnet und ist mit der inneren Oberfläche 118c davon verbunden, während die akustische Anpassungsschicht 105 außerhalb des tonnenförmigen Trägers 118 angeordnet ist und mit der äußeren Oberfläche 118a davon verbunden ist. Diese Gestaltung ist geeignet für den Fall, dass es notwendig ist, dass der tonnenförmige Träger einen Schutz bietet und die akustische Anpassungsschicht verwendet wird, um eine akustische Anpassung bereitzustellen.
Gemäß den Modi der Ultraschallwandler, die in den vorstehenden Ausführungsformen bereitgestellt worden sind, kann klar verstanden werden, dass die Gestaltung der akustischen Anpassungsschicht mit unterschiedlichen Dicken die Resonanzmodi des piezoelektrischen Elements in unterschiedlichen Konfigurationen geeignet anpassen kann, und kompatibel zu den Anwendungen sowohl des tonnenförmigen Trägers als auch des flachen Trägers sein kann.
Diejenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet werden leicht erkennen, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Vorrichtung und des Verfahrens vorgenommen werden können, während die Lehren der Erfindung beibehalten werden. Entsprechend sollte die vorstehende Offenbarung als nur durch die Maße und Grenzen der angehängten Ansprüche beschränkt angesehen werden.
Zusammengefasst umfasst ein Ultraschallwandler 100 ein piezoelektrisches Element 102 mit physikalischen Eigenschaften von Radialresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen und mit einer oberen Oberfläche 102a und einer unteren Oberfläche 102b gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element 102 und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche 102a und die untere Oberfläche 102b verbindet, und eine akustische Anpassungsschicht 104, die auf der oberen Oberfläche 102a des piezoelektrischen Elements 102 angeordnet ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil 104a und ein zweites Resonanzanpassungsteil 104b aufweist, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils 104a in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche 102a größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteil 104b in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils 104a zu einer Radialresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 passt und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils 104b zu einer anderen Radialresonanzfrequenz oder einer der Dickenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements 102 passt.
Bezugszeichenliste

100: Ultraschallwandler
102: piezoelektrisches Element
102a: obere Oberfläche des piezoelektrischen Elements
102b: untere Oberfläche des piezoelektrischen Elements
104: akustische Anpassungsschicht
104a: erstes Resonanzanpassungsteil
104b: zweites Resonanzanpassungsteil
105: akustische Anpassungsschicht
105a: erstes Resonanzanpassungsteil
105b: zweites Resonanzanpassungsteil
106: Draht
108: röhrenförmiger Träger
108a: obere Öffnung
108b: untere Öffnung
108c: innere Oberfläche
109: tonnenförmiger Träger
109a: Oberseite
109b: untere Öffnung
109c: innere Oberfläche
109d: Loch
110: Dämpfungselement
112: Trägerplatte
114: Stift
116: Träger
116a: äußere Oberfläche
116b: innere Oberfläche
118: tonnenförmiger Träger
118a: äußere Oberfläche
118b: untere Öffnung
118c: innere Oberfläche

Claims

Ultraschallwandler (100), aufweisend: ein piezoelektrisches Element (102) mit Radialresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen und mit einer oberen Oberfläche (102a) und einer unteren Oberfläche (102b) gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element (102) und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die obere Oberfläche (102a) und die untere Oberfläche (102b) verbindet; und eine akustische Anpassungsschicht (104), die auf der oberen Oberfläche (102a) des piezoelektrischen Elements (102) angeordnet ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil (104a) und ein zweites Resonanzanpassungsteil (104b) aufweist, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils (104a) in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche (102a) größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils (104b) in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteil (104a) zu einer der Radialresonanzfrequenzen des piezoelektrischen Elements (102) passt und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils (104b) zu einer anderen der Radialresonanzfrequenzen oder einer der Dickenresonanzfrequenzen des piezoelektrischen Elements (102) passt.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Radialresonanzfrequenzen kleiner sind als die Dickenresonanzfrequenzen.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend einen röhrenförmigen Träger (108), wobei der röhrenförmige Träger (108) mit einer oberen Öffnung (108a) und einer unteren Öffnung (108b) versehen ist und das piezoelektrische Element (102) und die akustische Anpassungsschicht (104) in dem röhrenförmigen Träger (108) angeordnet sind, und die akustische Anpassungsschicht (104) durch die obere Öffnung (108a) des röhrenförmigen Trägers (108) exponiert ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 3, weiter aufweisend ein Dämpfungselement (110), wobei das Dämpfungselement (110) mit der unteren Oberfläche (102a) des piezoelektrischen Elements (102) und einer inneren Oberfläche (108c) des röhrenförmigen Trägers (108) verbunden ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 4, weiter aufweisend eine Trägerplatte (112), wobei die Trägerplatte (112) mit Leitern oder Stiften (114) versehen ist und die Trägerplatte (114) und das Dämpfungselement (110) miteinander verbunden und durch die untere Öffnung (108b) des röhrenförmigen Trägers (108) exponiert sind.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der röhrenförmige Träger (108) eine Röhrenstruktur mit einem Querschnitt in der Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises aufweist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Material des röhrenförmigen Trägers (108) von Metallmaterialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die akustische Anpassungsschicht (104) organische Polymermaterialien aufweist oder ein Verbundmaterial aufweist, das aus den organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder Teilchen aus Vollmaterial besteht, und das organische Polymermaterial Epoxid, Vinylesterharz, UV-Harz, Polyurethan, Silikon, Acrylharz oder Cyanatesterharz aufweist, und das erste Resonanzanpassungsteil (104a) und das zweite Resonanzanpassungsteil (104b) der akustischen Anpassungsschicht (104) das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das piezoelektrische Element (102) ein piezoelektrisches Vollmaterial in einer Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises, oder ein ringförmiges piezoelektrisches Element, oder ein mehrlagiges keramisches piezoelektrisches Material, oder ein piezoelektrisches Material mit Vertiefungen aufweist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend einen tonnenförmigen Träger (109), wobei der tonnenförmige Träger mit einer verschlossenen Oberseite (109a), einer unteren Öffnung (109b) und einem Rumpf, der die Oberseite (109a) und die untere Öffnung (109b) verbindet, versehen ist, und das piezoelektrische Element (102) und die akustische Anpassungsschicht (104) in dem tonnenförmigen Träger (109) angeordnet sind, und das erste Resonanzanpassungsteil (104a) und das zweite Resonanzanpassungsteil (104b) der akustischen Anpassungsschicht (104) mit der geschlossenen Oberseite (109a) des tonnenförmigen Trägers (109) verbunden sind.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend einen tonnenförmigen Träger (109), wobei der tonnenförmige Träger mit einer Oberseite (109a), einer unteren Öffnung (109b) und einem Rumpf, der die Oberseite (109a) und die untere Öffnung (109b) verbindet, versehen ist, und die Oberseite (109a) mit einem Loch (109d) versehen ist, und das piezoelektrische Element (102) und die akustische Anpassungsschicht (104) in dem tonnenförmigen Träger (109) angeordnet sind, wobei das erste Resonanzanpassungsteil (104a) der akustischen Anpassungsschicht (104) mit der Oberseite (109a) des tonnenförmigen Trägers (109) verbunden ist, und das zweite Resonanzanpassungsteil (104b) der akustischen Anpassungsschicht (104) durch das Loch (109d) der Oberseite (109a) exponiert ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, weiter aufweisend ein Dämpfungselement (110), wobei das Dämpfungselement (110) und die untere Oberfläche (102b) des piezoelektrischen Elements (102) mit einer inneren Oberfläche (109c) des Rumpfs verbunden sind.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 12, weiter aufweisend eine Trägerplatte (112), wobei die Trägerplatte (112) mit Leitern oder Stiften (114) versehen ist und die Trägerplatte (114) mit dem Dämpfungselement (110) und einer inneren Oberfläche (109c) des Rumpfs verbunden und durch die untere Öffnung (109b) des tonnenförmigen Trägers (109) exponiert ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei ein Querschnitt des tonnenförmigen Trägers (109) die Form eines Quadrats, eines Vielecks oder eines Kreises aufweist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Material des tonnenförmigen Trägers (109) von Metallmaterialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Ultraschallwandler (100), aufweisend: ein piezoelektrisches Element (102) mit einer oberen Oberfläche (102a) und einer unteren Oberfläche (102b) gegenüber voneinander durch das piezoelektrische Element (102) und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die obere Oberfläche (102a) und die untere Oberfläche (102b) verbindet; einen Träger (116) mit einer inneren Oberfläche (116b) und einer äußeren Oberfläche (116a) gegenüber voneinander durch den Träger (116), wobei die obere Oberfläche (102a) des piezoelektrischen Elements (102) mit der inneren Oberfläche (116b) des Trägers (116) verbunden ist und Biegeresonanzfrequenzen und Dickenresonanzfrequenzen aufweist; und eine akustische Anpassungsschicht (104), die mit der äußeren Oberfläche (116a) des Trägers (116) verbunden ist und ein erstes Resonanzanpassungsteil (104a) und ein zweites Resonanzanpassungsteil (104b) aufweist, wobei eine Dicke des ersten Resonanzanpassungsteils (104a) in einer Richtung senkrecht zu der äußeren Oberfläche (116a) größer ist als eine Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils (104b) in dieser Richtung, und die Dicke des ersten Resonanzanpassungsteil (104a) zu einer der Biegeresonanzfrequenzen, die durch das piezoelektrische Element (102) und den Träger (116) gebildet wird, passt und die Dicke des zweiten Resonanzanpassungsteils (104b) zu einer anderen der Biegeresonanzfrequenzen oder einer der Dickenresonanzfrequenzen, die durch das piezoelektrische Element (102) und den Träger (116) gebildet wird, passt.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 16, wobei die Biegeresonanzfrequenzen niedriger sind als die Dickenresonanzfrequenzen.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei der Träger (116) ein flacher Träger oder ein tonnenförmiger Träger ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei ein Material des Trägers (116) von Metallmaterialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder von nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), flüssigkristallines Polymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die akustische Anpassungsschicht (104) organische Polymermaterialien aufweist oder ein Verbundmaterial aufweist, das aus den organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder Teilchen aus Vollmaterial besteht, und das organische Polymermaterial Epoxid, Vinylesterharz, UV-Harz, Polyurethan, Silikon, Acrylharz oder Cyanatesterharz aufweist, und das erste Resonanzanpassungsteil (104a) und das zweite Resonanzanpassungsteil (104b) der akustischen Anpassungsschicht (104) das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien aufweisen.