DE19957125A1

DE19957125A1 - Ultraschall-Wandler

Info

Publication number: DE19957125A1
Application number: DE19957125A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Thurn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-06-21
Also published as: EP1232023A1; EP1232023B1; WO2001038011A1; DE50006628D1; US6825594B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler (1) mit einem Gehäuse (2), in dem ein aus einer Piezokeramik (3) und einer Anpaßschicht (4) gebildeter Ultraschallschwinger kraft- und formschlüssig gehaltert ist. Dabei erfolgt der Kraft- und Formschluß über mindestens vier Schichten (8, 9, 10, 11, 12, 2) mit abwechselnd stark unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Wandler, insbesondere für die Anwendung in Näherungsschaltern.

Ultraschall-Näherungsschalter werden in der Automatisierungs technik hauptsächlich zur berührungslosen Erfassung der Anwe senheit oder des Abstandes von Objekten eingesetzt. Je nach Meßaufgabe finden das Schranken- oder das Echolaufzeitverfah ren Verwendung. Beim Schrankenverfahren sendet ein Ultra schallsender Signale aus, die auf direktem Weg zu einem Ul traschallempfänger gelangen. Der zu erfassende Gegenstand un terbricht den Schallweg und wird damit detektiert. Beim Echo laufzeitverfahren wird dagegen das vom zu erfassenden Gegen stand reflektierte Ultraschallecho empfangen und aus der Sig nallaufzeit zwischen Aussendung und Empfang die Entfernung des Gegenstandes ermittelt.

Schlüsselbauelemente für beide Verfahren sind die Ultra schall-Wandler. Sie werden im Sendefall zur Umsetzung elek trischer Signale in Schallwellen und im Empfangsfall zur Um setzung von Schallwellen in elektrische Signale benutzt. Bei Geräten nach dem Echolaufzeitverfahren wird oft ein und der selbe Wandler abwechselnd für Sendung und Empfang verwendet. Damit wird der gerätetechnische Aufwand verringert, aber auch ein Mindestabstand festgelegt, unterhalb dem wegen der unver meidlichen Ausschwingvorgänge des Wandlers nach dem Sendezy klus keine Messungen möglich sind.

Ultraschall-Wandler gibt es in unterschiedlichen technischen Ausgestaltungen. Für den industriellen Einsatz werden wegen ihrer Robustheit meist Festkörperwandler eingesetzt. Sie be stehen grundsätzlich aus einer Piezokeramik als Umsetzelement zwischen elektrischen und akustischen Signalen und einer re sonanten Anpaßschicht, mit der der Schallübergang zur Luft optimiert wird. Typische Beispiele für derartige Anordnungen zeigen unter anderem DE 25 41 492 B2 und DE 196 30 350 C2. Für die praktische Anwendung muß der Ultraschall-Wandler in geeigneter Weise gehaltert werden, ohne daß dadurch seine Funktion beeinträchtigt wird. Hierzu werden meist Kunststoff formteile und Polymer-Schaumstoffe verwendet, siehe z. B. DE 198 09 206 A1. Die Polymer-Schaumstoffe bewirken außerdem eine gewünschte mechanische Dämpfung des Ultraschall-Wand lers. Weiterhin kann mit zusätzlich in die Anordnung einge brachten Metalltöpfen eine elektrische Abschirmung vorgenom men werden.

Ultraschall-Wandler der beschriebenen Art werden in industri ellen Näherungsschaltern in großer Zahl eingesetzt und haben sich im Betrieb bewährt. Im Zuge der Miniaturisierung der Ge räte stellen sich aber zunehmend Probleme durch die Überkopp lung von Körperschall auf den Ultraschall-Wandler ein, da die Schichtdicke der umhüllenden Polymer-Schaumschichten und da mit ihre Dämpfungsfähigkeit gegenüber einer unerwünschten ra dialen Schallströmung abnimmt. Die Geräte werden damit emp findlich für Störgeräusche im Bereich ihrer Arbeitsfrequenz, die aus umgebenden Maschinenteilen bei fester Montage mecha nisch in die Näherungsschalter eingekoppelt werden können. Außerdem besteht die Gefahr, daß ein Teil des Sendeschalls seitlich in die umgebenden Maschinenteile entweicht und dort zu undefinierten Echos führt, die wiederum zum Näherungs schalter zurückgekoppelt werden können.

Das beschriebene Problem ist bislang nicht befriedigend ge löst. Behelfsmäßige Ansätze nutzen eine verringerte Empfind lichkeit des Näherungsschalters, die aber für den normalen Betrieb nachteilig ist. Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, den Utraschall-Wandler gegenüber der Front der Gehäu sehülse vorstehen zu lassen, so daß der Übertragungsweg zwi schen dem akustisch aktiven Teil des Wandlers und den umge benden Konstruktionsteilen verlängert wird, über den der Körperschall übertragen werden könnte. Eine spezielle Ausgestaltung dieses Prinzips ist in DE 38 32 947 C2 angegeben, bei der die Anpaßschicht über die Rückseite der Piezokeramik hinaus dünnwandig und rohrförmig verlängert ist, wobei diese Verlängerung etwa ein Viertel der Schallwellenlänge beträgt. In diesem Bereich wird der Wandler über einen elastischen Einspannring gehalten, wodurch die Körperschallübertragung deutlich verringert wird. Nachteilig ist bei Lösungen dieser Art, daß der aus der Gerätekontur hervorstehende Wandler emp findlich gegen Beschädigungen ist und häufig auch die Baulän ge des Näherungsschalters vergrößert.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ein richtung zum Senden und Empfangen von Ultraschall vorzugswei se für Ultraschall-Näherungsschalter anzugeben, die unemp findlich gegenüber einer Übertragung von Körperschall ist und dabei die Nachteile der beschriebenen bekannten Lösungsansät ze vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den folgenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst:

a) mit einem Gehäuse, in dem ein aus einer Piezokeramik und einer Anpaßschicht gebildeter Ultraschallschwinger kraft- und/oder formschlüssig gehaltert ist,
b) der Kraft- und/oder Formschluß erfolgt über mindestens vier Schichten mit abwechselnd stark unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen,
c) die Schichten sind von dem Ultraschallschwinger aus be trachtet in folgender Reihenfolge angeordnet,
d) der Ultraschallschwinger ist in eine erste schallweiche Schicht mit mindestens einem elastischem Dämpfungsmate rial als Bestandteil eingebettet,
e) die erste Schicht ist von einer zweiten Schicht umgeben, die aus mindestens einem schallharten Material, vorzugs weise Metall, besteht,
f) um die zweite, schallharte Schicht liegt eine dritte, schallweiche Schicht, die die zweite Schicht mindestens in der vom Ultraschallschwinger radial nach außen zum Ge häuse hin gerichteten Richtung umgibt und die einen oder mehrere schaumförmige Kunststoffe umfaßt, deren Dichte stets kleiner als 0,6 kg/dm³ ist, und
g) die dritte Schicht ist mindestens teilweise von einer vierten Schicht mit hohem akustischen Wellenwiderstand umgeben.

Unter schallweichen bzw. schallharten Materialien werden sol che Materialien verstanden, deren Wellenwiderstand, definiert als das Produkt aus Materialdichte und Materialwellenge schwindigkeit, sehr niedrig bzw. sehr hoch liegt. Durch die erfindungsgemäße Aufeinanderfolge von Schichten mit abwech selnd schallweichen und schallharten Materialien findet der vom Ultraschallschwinger nach außen ins Gehäuse überkoppelnde Körperschall sowie auch der zum Ultraschallschwinger zurück gerichtete Körperschallstrom eine starke Fehlanpassung vor, an den unterschiedlich schallharten Schichten findet stets jeweils annähernde Totalreflexion statt, so daß die Gesamt- Transmission auf ein Minimum reduziert wird. Die Körper schalldämmung ist dabei um so besser, je größer die Unter schiede der Wellenwiderstände an den einzelnen Schichten sind.

Die vierte Schicht kann ein Gehäuse des Ultraschall-Wandlers darstellen. Die Fehlanpassungen des Wellenwiderstands in den Schichten eins bis drei sind bei erfindungsgemäßem Aufbau in der Regel schon so effektiv, daß für diese Schicht auch her kömmliche Kunststoffe mit einem Wellenwiderstand, der niedri ger als der von Metallen ist, zur Körperschalldämmung ausrei chend sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen 2, 3 und 4 zu entnehmen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Schicht des Ul traschall-Wandlers aus einem Kunststoff mit einer Dichte kleiner 0,2 kg/dm³ besteht, da hierfür eine besonders gute Körperschallentkopplung erreicht wird. Bei körperschallmäßig sehr ungünstigen Einbaubedingungen des Wandlers und/oder bei sehr hoher Signalverstärkung der Sensorelektronik kann diese erhöhte Körperschallentkopplung notwendig sein.

Bei der Herstellung der Wandler sind Schichten mit derartig kleinen Dichten nur mit Aufwand als Gießmasse einzubringen, besonders wenn die Schichtstärke bei kleinen Bauformen sehr dünn ist. Daher ist es vorteilhaft, für die dritte Schicht vorgefertigte Schaumstoff-Formteile zu verwenden.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zum elektrischen Anschluß des Ultraschall-Wandlers lackisolierte Hochfrequenz litze mit einem Gesamtquerschnitt von weniger als 0,05 mm² verwendet wird. Bei herkömmlichen Anschlußleitungen wird über den Leiter bzw. die Litze und/oder über die Isolierung, die in der Regel aus Kunststoffen wie z. B. PVC, PUR, Teflon oder ähnlichem besteht, in störendem Ausmaß Körperschall übertra gen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Ultra schall-Wandlers in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungs form mit zusätzlichem Schaumstoffelement und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungs form mit zusätzlichem ringförmigen Luftspalt und mit einer mit einem Deckel verschlossenen Öffnung.

Fig. 1 zeigt die Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers 1, der sich als stirnseitiger Abschluß am Ende einer als Gerätegehäuse dienenden Metallhülse 2 be findet, beispielsweise kann die Metallhülse eine M18-Gewindehülse sein mit einem Innendurchmesser von ca. 16 mm. Der ak tive Teil des Ultraschall-Wandlers 1 ist in bekannter Weise der als Ultraschallschwinger bezeichnete Verbund aus einer Piezokeramik 3 und einer Anpaßschicht 4, die z. B. durch eine Verklebung 5 miteinander verbunden sind. Die Elektroden der Piezokeramik 3 sind über Leitungen 6, 7 mit einer nicht weiter dargestellten elektronischen Schaltung zur Aufbereitung der Sende- und Empfangssignale verbunden. Die Leitungen 6, 7 be stehen aus lackisolierten HF-Litzen mit einem Gesamtquer schnitt von jeweils 0,02 mm². Der Ultraschallschwinger aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4 ist in seinem oberen Teil von einer Gießmasse 8 umgeben, die vorteilhaft als getriebe ner oder syntaktischer Schaum mit niedrigem akustischem Wellenwiderstand ausgeführt ist. Im unteren Teil ist der Ul traschallschwinger aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4 von einem Schaumstoffring 9 umgeben, der ebenfalls einen niedri gen akustischen Wellenwiderstand aufweist und gleichzeitig eine Zentrierfunktion gemäß DE 198 09 206 A1 haben kann. Die Gießmasse 8 bzw. der Schaumstoffring 9 stellen die erste Schicht von mindestens vier Schichten dar, die den Ultra schallschwinger nach der Lehre der Erfindung umgeben. Der Metalltopf 10 um die erste Schicht dient in bekannter Weise auch zur elektrischen Abschirmung des Ultraschallschwingers aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4, hat aber innerhalb der erfindungsgemäßen Schichtbauweise die beschriebene zusätz liche Funktion der Körperschalldämmung durch Fehlanpassung. Er besteht beispielsweise aus 0,5 mm dickem Stahlblech und hat, bedingt durch die Materialdaten des Metalls, einen hohen akustischen Wellenwiderstand und bildet die zweite Schicht. Die für die Durchführung der Leitungen 6, 7 und für das Ein gießen der elastischen Dämpfungsmasse 8 notwendigen Öffnungen im Topf 10 sind zur Vermeidung von Körperschallüberkopplung möglichst klein auszubilden und erforderlichenfalls durch ge eignete Maßnahmen z. B. Aufkleben oder Anlöten eines schall harten Deckels mindestens teilweise zu verschließen. Der Metalltopf 10 ist in radialer Richtung von einem rohrförmigen Schaumstoffring 11 umgeben, der wiederum einen sehr niedrigen akustischen Wellenwiderstand mit einer Dichte von beispiels weise 50 kg/m³ aufweist, in radialer Richtung eine Dicke von beispielsweise 0,5 mm hat und die dritte Schicht der minde stens vier Schichten nach der Lehre der Erfindung bildet. Die vierte Schicht wird durch den Kunststoffring 12 dargestellt, der einen im Vergleich zur dritten Schicht hohen akustischen Wellenwiderstand aufweist und in der Metallhülse 2 kraft schlüssig gehalten wird. In axialer Richtung wird die be schriebene Anordnung durch den Hinterschnitt 13 des Kunst stoffrings 12 formschlüssig gehalten, wobei der Schaumstoff ring 14 einen niedrigen akustischen Wellenwiderstand mit ei ner Dichte von beispielsweise 180 kg/m³ hat und in axialer Richtung zwischen dem Metalltopf und dem Hinterschnitt 13 des Kunststoffrings 12 ebenfalls die dritte Schicht der minde stens vier Schichten nach der Lehre der Erfindung bildet. Für die Elemente 11 und 14 nimmt man vorteilhafterweise einen Schaum mit geschlossenzelliger Struktur, damit Feuchtigkeit von außen nicht eindringen und Körperschallbrücken bilden kann. Geeignete Materialien für die schallweiche dritte Schicht sind beispielsweise PE-Schäume, PVC-Schäume, PUR- Schäume, Silikonschäume, Zellkautschuke usw. z. B. als getrie bener Schaum oder als syntaktischer Schaum montiert als Form teile und/oder eingebracht als Gießmasse. Derartige Schaum stoffe können in verschiedenen Härten und in Dichten von bis zu unter 20 kg/m³ hergestellt werden mit entsprechend extrem niedrigen Wellenwiderständen, so daß hiermit außerordentlich gute Körperschalldämmwerte erreicht werden können.

Es ist vorteilhaft, in axialer Richtung der Anordnung unmit telbar hinter dem Metalltopf 10 eine weitere schaumstofförmi ge Gießmasse 15 mit niedrigem akustischem Wellenwiderstand aufzubringen, die entsprechend der Lehre der Erfindung gegen über dem folgenden Geräteverguß 16 mit relativ hohem akusti schem Wellenwiderstand die dritte Schicht der mindestens vier Schichten darstellt.

Bei der Wahl der Schichtdicken ist zu beachten, daß keine vielfache der halben Schallwellenlänge in der jeweiligen Schicht auftreten. Zur Vermeidung einer Körperschallübertra gung durch die Anschlußleitungen 6, 7 ist es vorteilhaft, diese aus lackisolierter Hochfrequenzlitze mit einem Gesamt querschnitt von weniger als 0,05 mm² zu realisieren.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß hier im rückwärtigen Bereich des Ultraschallschwingers die dritte Schicht durch ein Schaumstoffteil 17 gebildet ist. Eine der artige Schaumstoffschicht 17 kann als vorgefertigtes Formteil ausgebildet sein und kann einen noch niedrigeren Wellenwider stand als z. B. die schaumförmige Gießmasse 15 aufweisen, wo durch die Körperschallentkopplung nochmals verbessert werden kann. Ansonsten stimmen beide Ausführungsformen überein.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bedeckt der Schaum stoffring 11 in axialer Richtung nur den oberen Teil der Man telfläche des Blechtopfs 10 und es befindet sich unterhalb davon ein ringförmiger Luftspalt 18, der einen noch wesent lich niedrigeren Wellenwiderstand als Schaumstoff hat. Da durch wird die Fehlanpassung des Wellenwiderstands und damit das Körperschalldämmmaß gegenüber dem Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 1 zusätzlich gesteigert. Die dritte Schicht nach der Lehre der Erfindung setzt sich in radialer Richtung aus dem Schaumstoffring 11 und dem Luftspalt 18 zusammen. Der Schaum stoffring 11 kann auch aus zwei oder mehr Teilelementen be stehen, zwischen denen sich zur Steigerung der Fehlanpassung Luftspalte befinden können. Als zusätzliche Maßnahme ist eine für das Eingießen der Gießmasse 8 notwendige Öffnung im Blechtopf 10 mit einem schallharten Deckel 19 verschlossen worden, um eine mögliche Körperschallkopplung durch diese Öffnung in die Gießmasse 15 zu vermeiden.

Wenn auch die beschriebenen Ausführungsbeispiele aus Fig. 1 bis Fig. 3 von rotationssymmetrischen Wandleranordnungen ausgehen, so sind die beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Körperschallreduzierung nicht darauf beschränkt, sondern haben auch bei beliebigen Wandleranordnungen Gültigkeit.

Claims

1. Ultraschall-Wandler (1), insbesondere für die Anwendung in Näherungsschaltern, mit folgenden Merkmalen:

a) mit einem Gehäuse (2), in dem ein aus einer Piezokeramik (3) und einer Anpaßschicht (4) gebildeter Ultraschall schwinger kraft- und/oder formschlüssig gehaltert ist,
b) der Kraft- und/oder Formschluß erfolgt über mindestens vier Schichten (8, 9, 10, 11, 12, 2) mit abwechselnd stark un terschiedlichen akustischen Wellenwiderständen,
c) die Schichten (8, 9, 10, 11, 12, 2) sind von dem Ultraschall schwinger aus betrachtet in folgender Reihenfolge ange ordnet,
d) der Ultraschallschwinger ist in eine erste schallweiche Schicht (8, 9) mit mindestens einem elastischen Dämpfungs material als Bestandteil eingebettet,
e) die erste Schicht (8, 9) ist von einer zweiten Schicht (10) umgeben, die aus mindestens einem schallharten Mate rial, vorzugsweise Metall, besteht,
f) um die zweite, schallharte Schicht (10) liegt eine drit te, schallweiche Schicht (11), die die zweite Schicht (10) mindestens in der vom Ultraschallschwinger radial nach außen zum Gehäuse (2) hin gerichteten Richtung um gibt und die einen oder mehrere schaumförmigen Kunststof fe umfaßt, deren Dichte stets kleiner als 0,6 kg/dm³ ist, und
g) die dritte Schicht (11) ist mindestens teilweise von ei ner vierten Schicht (12, 2) mit hohem akustischen Wellen widerstand umgeben.

2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (11) schaumförmigen Kunststoff mit einer Dichte kleiner 0,2 kg/dm³ umfaßt.

3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (11) aus mindestens einem vorgefertigten Schaumstoffformteil besteht.

4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum elektrischen An schluß (6, 7) des Ultraschall-Wandlers lackisolierte Hochfre quenzlitze mit einem Gesamtquerschnitt von weniger als 0,05 mm² verwendet wird.