DE19754891C1

DE19754891C1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE19754891C1
Application number: DE19754891A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dipl Phys Ing Potapov; Uwe Dipl Phys Schoen; Thomas Dipl Ing Hahn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: EP1038290B1; WO1999030313A1; JP2001526479A; EP1038290A1; DE59810685D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für den Einsatz als Sender und Empfänger in Puls-Echo-Anwendungen, bei denen das Übertragungsmedium für die Schallwelle Luft ist.

Ein besonderes Einsatzgebiet des Ultraschallwandlers als Sensor betrifft den Kfz-Bereich. Hier besteht ein Bedarf an Wandlern zur Objekterkennung innerhalb eines Fahrzeuginnenraums, beispielsweise zur Kontrolle der Airbagzündung während eines Unfalls.

Auf dem Markt sind bereits zahlreiche Ultraschallwandler für derartige Anwendungen erhältlich. Als besonders effektive Schwingungsmode des Wandlers hat sich hierbei die Biegeschwingung einer Membran gezeigt. Zur Schwingungserzeugung wird eine runde Piezokeramikscheibe zentrisch auf die Rückseite einer Membran aufgeklebt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die Keramik zu radialen Schwingungen angeregt. Aufgrund einer steifen Klebeverbindung mit der Membran ergibt sich eine Biegeschwingung des Gesamtsystems. Auf der Rückseite der Membran ist weiterhin ein Stück Schaumstoff zur Dämpfung der Schwingung vorgesehen.

Ein derartiger Wandler ist beispielsweise in der DE 296 14 691 U1 beschrieben, wobei als rückseitiges Dämpfungsmaterial anstelle von Schaumstoff Filzkissen eingesetzt sind.

Die DE 33 01 848 C2 zeigt ein Beispiel für einen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem auf die Rückseite der Membran ein Stoff aufgeschäumt ist. Der Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe beträgt bei diesem Wandler etwa 50% des Durchmessers der Membran.

Die Parameter der Ultraschallschwingung werden durch die elastischen und sonstigen mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems bestimmt. Hierbei haben die elastischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und die geometrischen Abmessungen der eingesetzten Komponenten einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz, den Öffnungswinkel der Schallkeule, die Güte der Schwingung und die Empfindlichkeit des Sensors.

Eine Vielzahl von Einflußfaktoren, die sich auch gegenseitig beeinflussen, bestimmt daher die physikalischen Wandlereigenschaften.

Im obigen Anwendungsfall zur Kontrolle der Airbagzündung während eines Unfalls werden Eigenschaften des Wandlers gefordert, die in dieser Weise bisher von keinem der bekannten Wandler erfüllt werden. Die am Markt erhältlichen Wandler weisen stets einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf, so z. B. eine zu geringe Empfindlichkeit, einen zu kleinen Öffnungswinkel der Schallabstrahlung, keine geschlossene Gehäuseform, keine ausreichende Widerstandsfähigkeit bezüglich mechanischer Einwirkung von außen, eine zu große mechanische Güte. Weiterhin sind sie häufig zu aufwendig in der Funktionsweise und somit fertigungstechnisch schwer realisierbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der bei einem großen Öffnungswinkel eine hohe Empfindlichkeit bei möglichst geringer Güte aufweist. Der Wandler soll weiterhin in einem robusten, widerstandsfähigen Gehäuse ausführbar und in großen Stückzahlen günstig herstellbar sein.

Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler und dem Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers und des Verfahrens zu seiner Herstellung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Ultraschallwandler vorgeschlagen, bei dem eine Membran in einer Halterung angeordnet und eine piezoelektrische Scheibe auf einer rückseitigen Hauptfläche der Membran aufgebracht ist. Der Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe beträgt zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran. Auf die rückseitige Hauptfläche der Membran ist ein erster Stoff aufgeschäumt. Durch das Aufschäumen dieses Stoffes können besonders vorteilhafte Eigenschaften des Wandlers hinsichtlich Empfindlichkeit und mechanischer Güte erreicht werden. Das angegebene Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Piezokeramik und der Membran führt bei aufgeschäumtem Stoff zu einem großen Öffnungswinkel der Schallabstrahlung.

Die Halterung des Ultraschallwandlers, die gleichzeitig das Gehäuse bildet, kann zusammen mit der Membran einstückig aus einem Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (z. B. AlCuMgPb), kostengünstig gefertigt werden. Durch eine Halterung, die mit der Membran eine topfförmige Struktur bildet, läßt sich somit ein robuster, gegen mechanische Einwirkung von außen ausreichend widerstandsfähiger Wandler bereitstellen. Der Wandler kann mit einfachen Verfahren, beispielsweise durch ein Fließpreßverfahren hergestellt werden und erfüllt daher die Anforderungen an eine kostengünstige Fertigung in hohen Stückzahlen.

Insbesondere die Dicke und der Durchmesser der Keramik, die Dicke und der Durchmesser der Membran sowie die Gesamthöhe des Aluminiumgehäuses beeinflussen wesentlich die Eigenschaften des Wandlers. So ist die Mittenfrequenz f des Ultraschallwandlers proportional zum Verhältnis von quadratischem Membrandurchmesser D_M ² und Membrandicke d_M. Die Keramikdicke d_K wiederum ist proportional der Mittenfrequenz f, wobei der Zusammenhang vom jeweiligen Design abhängt. Die Empfindlichkeit und die damit zusammenhängende mechanische Güte der Schwingung ist außerdem durch das Material auf der Rückseite der Keramik (erster Stoff) beeinflußbar.

Ein spezieller Ultraschallwandler für die Anwendung zur Objekterkennung innerhalb eines Fahrzeuginnenraums, beispielsweise zur Kontrolle der Airbagzündung während eines Unfalls, arbeitet bei einer Mittenfrequenz von 70 kHz. Bei dieser Frequenz soll der Öffnungswinkel der 6 dB-Schallkeule möglichst groß sein. Bei einem solchen System besteht die Forderung, daß alle wesentlichen Objekte mit den verschiedenen Oberflächenstrukturen und Materialien ein detektierbares Echo-Signal in Richtung des Wandlers zurückreflektieren. Die Empfindlichkeit des Wandlers muß also möglichst hoch sein.

Besonders vorteilhaft erweist sich für diese Anwendung erfindungsgemäß ein Wandler mit einem Membrandurchmesser 8.85 ± 0.02 mm, einer Membrandicke 0.83 ± 0.02 mm und einer Keramikdicke 0.26 ± 0.01 mm.

Weiterhin wird bei einem solchen Wandler eine zylinderförmige Halterung mit einer Wandstärke von mindestens 2.85 mm und einer Höhe von beispielsweise 6.83 mm eingesetzt.

Es versteht sich jedoch von selbst, daß auch kleinere oder größere Höhen der Halterung durchaus möglich sind.

Der entwickelte Sensor fügt sich ohne weitere Änderungen der Ansteuerungselektronik in ein bestehendes Besetztdetektionssystem in einem Kfz ein.

Der erste, rückseitig auf die Membran aufgeschäumte Stoff besteht vorzugsweise aus offenzelligem, weichem Material, beispielsweise Polyurethanschaum oder Silikonschaum.

Besonders vorteilhafte Wandlereigenschaften werden hierbei mit Polyurethanschaum mit einer Stauchhärte (DIN 53577) von < 9 kPa und einem akustischen Verlustfaktor (DIN 53426) von < 1.0 erzielt.

In einer besonderen Ausführungsform wird als piezoelektrische Scheibe eine Piezokeramik mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von < 2500, einem radialen elektromechanischen Kopplungsfaktor von < 0.5 und einer mechanischen Güte von < 300 eingesetzt.

Bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Ultraschall wandlers wird zunächst eine topfförmige Halterung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren Boden eine Membran bildet, beispielsweise mittels eines Fließpreß verfahrens hergestellt. Auf die Rückseite der Membran wird eine piezoelektrische Scheibe, deren Durchmesser zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran beträgt, aufgeklebt, um einen mechanischen und elektrischen Kontakt zur Membran herzustellen. Auf die piezoelektrische Scheibe wird ein Ende eines dünnen Drahtes aufgelötet. Schließlich wird ein erster Stoff in der topfförmigen Halterung auf die Rückseite der Membran aufgeschäumt, so daß Membran und piezoelektrische Scheibe von dem Stoff vollständig bedeckt sind.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist selbstverständlich auch für andere Luft-Ultraschall- Anwendungen, die ähnliche Randbedingungen an die wesentlichen Wandlereigenschaften vorgeben, beispielsweise für Abstandsmessungs- oder Positionserfassungssysteme, hervorragend geeignet. Aufgrund der breiten Schallkeule eignet sich der Sensor in besonderem Maße zur Raumüberwachung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Wandler im Querschnitt,

Fig. 2 den Wandler aus Fig. 1 in Rückansicht ohne den ersten Stoff (4) und den zweiten Stoff (5),

Fig. 3 den Wandler aus Fig. 1 in Rückansicht vollständig, und

Fig. 4 den Wandler aus Fig. 1 in Vorderansicht zeigen.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt den Wandler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt. Der Wandler besteht aus einem zylinderförmigen Aluminiumgehäuse (1). Den Boden des Gehäuses bildet eine Aluminium-Membran (2). Das Aluminiumgehäuse des Wandlers wird als Drehteil hergestellt. Eine Piezokeramikscheibe (3), beispielsweise aus einer PZT-5H- Keramik, wird mit einem dünnflüssigen Kleber mit Druck in den Aluminiumtopf (auf die Rückseite der Membran (2)) konzentrisch eingeklebt. Eine Elektrode der Keramik, die auf die Membranfläche geklebt wird, hat über die Membran elektrischen Kontakt zum Aluminiumgehäuse (1). Die Masseverbindung wird durch einen Kupferstift (6) gewährleistet, der in das Aluminiumgehäuse getrieben wird. Bei Fertigung großer Stückzahlen kann zur Massekontaktierung auch ein anderes Verfahren gewählt werden. Der Kupferstift ist über einen dünnen Draht (8) mit einem Kabel (10) verbunden, das den Wandler mit der Ansteuerelektronik verbindet. Die andere Elektrode der Keramik (3) wird über einen Lötpunkt (7) am Rand der Keramik mit einem weiteren dünnen Draht (9) verbunden. Durch das Anbringen des Lötpunktes (7) am Rand der Keramik wird der Einfluß auf die Schwingungseigenschaften des Systems minimiert. Der Draht (9) zwischen Keramikelektrode und Kabel (10) muß sehr leicht sein, um einen weiteren Einflußfaktor auf die Schwingungseigenschaften des Systems zu vermeiden.

Eine Rückansicht des Sensors mit Aluminiumgehäuse (1), Aluminium-Membran (2), eingeklebter Keramikscheibe (3), Lötpunkt (7) und Masse-Kontaktierung (6) ist Fig. 2 zu entnehmen.

Der gewählte Membrandurchmesser erzeugt den gewünschten Öffnungswinkel (hier: < 45° bei einem lateralen 3 dB Schalldruckabfall; < 55° bei einem lateralen 6 dB Schalldruckabfall) und ist auf das Gesamtschwingungssystem abgestimmt, um die Biegeschwingung effektiv zu erzeugen. Bei dem beispielhaften System wurden die Abmessung der Gesamtgehäusehöhe, sowie Dicke und Durchmesser der Keramikscheibe bezüglich des Schwingungsverhaltens des Systems optimiert. Die Dicke der Keramik hat dabei einen geringeren Einfluß auf das Schwingungsverhalten als der Durchmesser.

Im vorliegenden Beispiel weisen die Komponenten des Ultraschallwandlers (Sensors) folgende Abmessungen auf:
Dicke der Gehäusewandung d_G: 2,85 mm
Höhe der Gehäusewandung h_G: 6,83 mm
Durchmesser des Gehäuses D_G: 14,55 mm
Durchmesser der Membran D_M: 8,85 mm
Dicke der Membran d_M: 0,83 mm
Durchmesser der Keramikscheibe D_K: 6,75 mm
Dicke der Keramikscheibe d_K: 0,26 mm

Dabei sind alle geometrischen Abmessungen der beteiligten Komponenten genau einzuhalten, um ein unter allen Aspekten optimiertes System für genannten Anwendungsfall zu erhalten.

Ein wesentlicher Parameter des Sensors ist die mechanische Güte. Der rückseitig aufgeschäumte erste Stoff (4) bestimmt die Dämpfung der Membranschwingung. Ebenso kann die Wandstärke des Topfes eine Rolle spielen. Die elastischen Eigenschaften des ersten Stoffes (4) beeinflussen das Resonanzverhalten nur in geringerem Maße und erlauben durch Einsatz von Materialien unterschiedlicher Dämpfung eine bessere Möglichkeit, die mechanische Güte des Wandlers einzustellen.

Ein weiterer, rückseitig auf den ersten Stoff (4) aufgebrachter zweiter Stoff (5) dient dazu, die Ausbreitung einer Schallwelle entgegen der Richtung der abstrahlenden Membran zu verhindern und ist in seinem Einfluß auf das Resonanzverhalten des Gesamtsystems abgestimmt. Das Material des zweiten Stoffes (5) ist ein Polyurethan und erfüllt außerdem die Aufgabe, den Übergang zwischen dem sehr leichten Draht, der die Elektroden kontaktiert, und dem schwereren Anschlußkabel zu sichern.

Das Ausmaß der Bedeckung der Membran bzw. der Ausfüllung des Aluminiumgehäuses durch die ersten und zweiten Stoffe (4, 5) können Fig. 1 entnommen werden. Im Beispiel beträgt der Abstand des oberen Randes des zweiten Stoffes (5) vom oberen Rand der Gehäusewandung (1) 1,17 mm.

Die Fig. 3 und 4 zeigen schließlich noch eine Rückansicht und eine Vorderansicht des vollständigen Ultraschallwandlers.

Claims

1. Ultraschallwandler, insbesondere für den Einsatz als Sender und Empfänger in Puls-Echo Anwendungen, bei dem eine Membran in einer Halterung angeordnet und eine piezoelektrische Scheibe auf einer rückseitigen Hauptfläche der Membran aufgebracht ist, wobei ein erster Stoff auf die rückseitige Hauptfläche der Membran aufgeschäumt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran beträgt.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung zusammen mit der Membran einstückig aus einem Material gefertigt ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung mit der Membran eine topfförmige Struktur bildet.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mittenfrequenz von 70 kHz der Membrandurchmesser 8.85 ± 0.02 mm, die Membrandicke 0.83 ± 0.02 mm und die Keramikdicke 0.26 ± 0.01 mm betragen.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylinderförmige Halterung mit einer Wandstärke von mindestens 2.85 mm und einer Höhe von ca. 6 mm eingesetzt wird.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe auf die Membran aufgeklebt ist.

8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe eine Piezokeramik ist.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramik eine relative Dielektrizitätskonstante von < 2500, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor von < 0.5 und eine mechanische Güte von < 300 aufweist.

10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus offenzelligem, weichem Material besteht.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus Polyurethanschaum oder Silikonschaum besteht.

12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff aus Polyurethanschaum mit einer Stauchhärte von < 9 kPa und einem akustischen Verlustfaktor von < 1.0 besteht.

13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Stoff ein zweiter Stoff vorgesehen ist.

14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode der piezoelektrischen Scheibe über die Membran und die Halterung mit Masse verbunden, und eine zweite Elektrode der piezoelektrischen Scheibe über einen dünnen am Rand der Scheibe angelöteten Draht kontaktiert ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit folgenden Verfahrensschritten:
Herstellung einer topfförmigen Halterung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren Boden eine Membran bildet,
Aufkleben einer piezoelektrischen Scheibe, deren Durchmesser zwischen 60% und 85% des Durchmessers der Membran beträgt, auf die Rückseite der Membran, so daß ein mechanischer und elektrischer Kontakt zur Membran hergestellt wird,
Auflöten eines Endes eines dünnen Drahtes auf die piezoelektrische Scheibe,
Aufschäumen eines ersten Stoffes in der topfförmigen Halterung auf die Rückseite der Membran, so daß Membran und piezoelektrische Scheibe von dem Stoff vollständig bedeckt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Stoff ein zweiter Stoff aufgebracht wird, der die Ausbreitung einer Schallwelle entgegen der gewünschten Richtung der abstrahlenden Membran verhindern soll.