DE202007001637U1

DE202007001637U1 - Ultraschallwandler

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Publication number: DE202007001637U1
Application number: DE200720001637
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2017-02-06

Abstract

Ultraschallwandler für den Betrieb in einem gasförmigen Medium, insbesondere in Luft, mit
– einem piezoelektrischen Wandlerelement (1), das elektrisch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, und
– einem auf einer Stirnfläche (10) des Wandlerelementes (1) aufgebrachten λ/4-Anpassungskörper (3),
dadurch gekennzeichnet,
– dass das piezoelektrische Wandlerelement (1) ein Piezokompositmaterial aufweist, welches im Betrieb zu einer Dickenschwingung anregbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für den Betrieb in einem gasförmigen Medium, insbesondere in Luft, mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das elektrisch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, und einem auf einer Stirnfläche des Wandlerelementes aufgebrachten λ/4-Anpassungskörper, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Ultraschallwandler in akustischen Sensoren einzusetzen, die in gasförmigen Medien, beispielsweise Luft, arbeiten und für industrielle Automatisierungsaufgaben eingesetzt werden können. Die Sensoren können dabei beispielsweise entfernungsmessende Sensoren sein und/oder für Ultraschallschranken zum Einsatz kommen. Die Arbeitsfrequenz des Schallwandlers liegt bei diesen Anwendungsgebieten vorzugsweise im Ultraschallbereich.
Es sind eine Reihe verschiedener Konstruktionen von Ultraschallwandlern bekannt, beispielsweise Biegeschwinger, elektrostatische Schwinger und λ/4-Schwinger. Solche λ/4-Ultraschallwandler weisen in der Regel ein piezoelektrisches Wandlerelement auf, auf dem zur akustischen Impedanzanpassung ein Material mit geringer akustischer Impedanz, d.h. ein Material mit geringer Dichte und/oder Schallgeschwindigkeit, aufgeklebt ist. Dieses Material mit geringer akustischer Impedanz weist eine Dicke von einem Viertel der Wellenlänge (λ/4), gemessen im Material mit geringer akustischer Impedanz, der vom Wandlerelement erzeugten Ultraschallschwingungen auf und bildet einen Anpassungskörper.
Als piezoelektrisches Wandlerelement, das heißt als aktives Bauelement der λ/4-Ultraschallwandler wird nach dem Stand der Technik eine piezoelektrische Vollkeramik verwendet. Die piezoelektrische Vollkeramik wird normalerweise im Bereich der ersten radialen Resonanz, das heißt im Planarschwingungsmodus, betrieben.
Die Arbeitsfrequenzen bekannter λ/4-Wandler liegen typischerweise im Bereich zwischen 40 kHz und 400 kHz, wobei typischerweise eine Strahlkeule mit einem Öffnungswinkel von ± 5° bei halbem Schalldruck erzielt werden kann. λ/4-Schwinger haben in industriellen Ultraschallsensoren weite Verbreitung gefunden.
Ausführungsbeispiele von λ/4-Schwingern sind aus der DE 34 01 979 A1 , der DE 44 23 639 A1 , der DE 196 30 350 A1 und der DE 103 44 741 A1 bekannt.
Aus der US 2003/0051323 A1 und der US 2001/0050514 A1 sind einfache piezoelektrische Wandler mit einem Piezokompositmaterial bekannt. Die DE 198 29 216 C1 und die DE 199 54 020 C2 betreffen Herstellungsverfahren für einfache piezoelektrische Wandler mit einem Kompositmaterial.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler für einen Betrieb in einem gasförmigen Medium anzugeben, der bei hoher Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit besonders vielseitig einsetzbar ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallwandler anzugeben, mit dem bei geringem konstruktiven Aufwand unterschiedlichste Winkelcharakteristiken realisiert werden können und der insbesondere eine besonders schmale Schallkeule aufweisen kann, einen Ultraschallwandler mit besonders kleinem Nahbereich anzugeben und/oder einen Ultraschallwandler mit einer besonders kurzer Ansprechzeit und/oder einer besonders hohen Arbeitsfrequenz anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement ein Piezokompositmaterial aufweist, welches im Betrieb zu einer Dickenschwingung anregbar ist.
Ein erster Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, im piezoelektrischen Wandlerelement eines λ/4-Schwingers an Stelle einer piezoelektrischen Vollkeramik ein Piezokompositmaterial einzusetzen. Ein solches Piezokompositmaterial ist ein Verbundwerkstoff aus einem piezoelektrischen Material und einer passiven Matrix, insbesondere einer Polymermatrix. Ein solches Kompositmaterial weist in der Regel eine vergleichsweise geringe akustische Impedanz und/oder hohe Kopplungsfaktoren auf.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit einem derartigen Ultraschallwandler mit geringem Aufwand im Sendebetrieb eine besonders hohe Schallintensität und im Empfangsbetrieb eine besonders gute Empfindlichkeit erzielen lässt, so dass ein besonders vielfältiges Einsatzspektrum gegeben ist.
Es gibt mehrere Gründe für diese Beobachtung. Ein erster Grund ist die niedrige akustische Impedanz des Piezokompositmaterials. In dem Ultraschallwandler muss die Schallwelle vom erzeugenden Element, der Piezokeramik oder dem Piezokompositmaterial in die Luft ausgekoppelt werden. Dazu muss die Schallwelle die Grenzfläche zwischen Piezomaterial und Luft bzw. Gas passieren. Für den Transmissionskoeffizient T bei senkrechtem Einfall der Welle gilt: T = 4·ZG·ZW/(ZG + ZW)2
Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Transmission wird umso besser wird, je näher die akustische Impedanz von Luft Z_G an der des Wandlerelements Z_W liegt. Da die Dichte des piezoelektrischen Kompositmaterials deutlich geringer ist, als die einer Vollkeramik, ist ein höherer Transmissionsfaktor zu erwarten.
Weiterhin werden bei dem erfindungsgemäßen Einsatz von Piezokompositmaterialien hohe Kopplungsfaktoren erreicht.
Für den in der Erfindung vorgeschlagenen Ultraschallwandler wird als aktives Element ein Piezokompositmaterial mit 1-3-Konnektivität oder mit 2-2-Konnektivität vorgeschlagen. In beiden Fällen ist es möglich, das piezoelektrische Material so einzusetzen, dass die mechanische Schwingungsrichtung parallel zum elektrischen Feld und zur Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials liegt. Im Gegensatz dazu steht das elektrische Feld einer piezoelektrischen Scheibe in Planarschwingung senkrecht zur mechanischen Schwingung. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
Bei piezoelektrischen Materialien wird die Richtung der Polarisation gewöhnlich so gewählt, dass Sie mit der z-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems zusammenfällt. Es ist auch üblich, die Koordinatenachsen anstatt mit x, y, z mit 1, 2, 3 zu bezeichnen. Mit den Ziffern 4, 5, 6 werden die Scherungen um die Achsen 1, 2, 3 bezeichnet. Die Materialkonstanten hängen von der Richtung für das elektrische Feld, der dielektrischen Verschiebung, der mechanischen Dehnung und der mechanische Spannung ab. Deshalb werden die Materialkonstanten üblicherweise mit zwei Indices von 1...6 versehen.
Eine wichtige Größe ist der mechanische Kopplungsfaktor k. Das Quadrat des Kopplungsfaktors ist proportional zur umgewandelten mechanischen Energie im Verhältnis zur gesamten Energie. Je größer dieser Wert, desto effektiver kann elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Für die vorgeschlagenen Piezokompositwandler ist der Kopplungsfaktor k₃₃, bei dem die mechanische Schwingung parallel zur Polarisation und zum elektrischen Feld ist, maßgeblich. Dieser ist größer als der für planare Schwingungsmodi relevante Kopplungsfaktor k_p.
Ein weiterer Vorteil ist die gute Unterdrückung von radialen Schwingungen, die aus einer Querkopplung resultieren, und die somit geringe Schwingungsübertragung auf das Gehäuse.
Zusätzlich zu der grundsätzlich bekannten Formel Z_A2 = Z_G·Z_W beträgt die Dicke des Anpassungskörpers vorteilhafterweise λ/4.
Weiterhin ermöglicht es der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, abstandsmessende Ultraschallsensoren mit einem besonders kleinen Nahbereich zur Verfügung zu stellen, so dass ein qualitativ besonders hochwertiger und vielseitig einsetzbarer Ultraschallwandler gegeben ist. Abstandsmessende Ultraschallsensoren arbeiten in der Regel im Impulsbetrieb, bei dem der Ultraschallwandler einen kurzen Ultraschallimpuls von einigen Wellenzügen emittiert und die zurückreflektierten Wellen des Impulses vom Wandler nachgewiesen werden. Aus der Laufzeit der vom zu detektierenden Objekt zurückreflektierten Welle kann die Entfernung zum Objekt berechnet werden.
Während der Sendephase der Abstandsmessung muss das Wandlerelement für eine hinreichende Signalintensität in der Regel mit relativ hohen Spannungen von beispielsweise einigen 100 V angesteuert werden. Die empfangenen Echos generieren hingegen vergleichsweise geringe Spannungen, die typischerweise im Bereich von einigen 10 μV bis einigen 100 mV liegen. Es ist in der Regel erst dann möglich, die vergleichsweise schwachen Echos zu detektieren, nachdem die Sendeschwingung des Ultraschallwandlers nahezu vollständig abgeklungen ist. Der Sensor kann somit während der Sendephase und unmittelbar danach keine Echos empfangen. Die resultierende Verzögerung, während derer der Ultraschallwandler nicht empfangsbereit ist, hat zur Folge, dass Objekte in der unmittelbaren Nähe des Ultraschallwandlers, die sehr kurze Reflexionslaufzeiten generieren, bei der Abstandsmessung nicht erfasst werden können.
Ultraschallwandler weisen somit einen Nahbereich auf, der durch die Ausschwingzeit des Ultraschallwandlers bedingt ist, und innerhalb dessen eine Abstandsmessung in der Regel nicht zufriedenstellend erfolgen kann. Der Nahbereich kann auch als Blindbereich bezeichnet werden.
Die Ausschwingzeit des Ultraschallwandlers und somit die Größe des Nahbereichs hängt von der schwingenden Masse des Wandlers und von dessen Dämpfung ab, wobei die schwingende Masse aus dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem akustischen Anpassungskörper besteht. Die Erfindung erkennt, dass Ultraschallwandler mit einem Vollkeramikmaterial eine vergleichsweise große schwingende Masse aufweisen, somit vergleichsweise viel Schwingungsenergie speichern können und folglich eine vergleichsweise große Ausschwingzeit aufweisen. Demgegenüber können Wandlerelemente mit Piezokompositmaterialien eine deutlich kleinere schwingende Masse aufweisen, da das Volumen des in der Matrix eingebetteten, vergleichsweise schweren piezoelektrischen Materials vergleichsweise gering ist. Daher können erfindungsgemäß besonders kurze Ausschwingzeiten und somit kleine Blindbereiche der Sensoren realisiert werden.
Darüber hinaus erlaubt es die Erfindung, die Matrix, in die das aktive piezoelektrische Material des Wandlers eingebettet ist, in besonders wirksamer Weise zur zusätzlichen Schwingungsdämpfung heranzuziehen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Bedämpfung des aktiven Materials in der Regel nur über dessen Oberfläche erfolgen kann. Bei einem erfindungsgemäß eingesetzten Piezokompositmaterial ist das Volumen des aktiven Materials jedoch auf viele kleine Einzelvolumina, beispielsweise in Form kleiner Stäbchen, aufgeteilt, die in die Matrix eingebettet sind. Demgemäß ist die Oberfläche des aktiven Materials bei der Erfindung vergleichsweise groß, so dass dessen Schwingung durch die Matrix besonders gut bedämpft werden kann. Das Material der Matrix kann dabei grundsätzlich ohne wesentliche Beeinträchtigung der sonstigen Kenngrößen des Wandlers im Hinblick auf seine Dämpfungseigenschaften frei gewählt werden. Somit können die Ausschwingzeiten und folglich die Blindbereiche weiter reduziert werden. Die mechanische Güte von Piezokompositmaterial kann vergleichsweise gering sein.
Bei einer Vollkeramik nach dem Stand der Technik kann eine zusätzliche Dämpfung beispielsweise dadurch erhalten werden, dass das Wandlerelement und der Anpassungskörper als Ganzes in ein dämpfendes Material, zum Beispiel in einen PU- Schaum, eingebettet werden. Hier ist jedoch die Kontaktoberfläche zwischen der schwingenden Masse und dem dämpfenden Material verglichen mit einem Piezokompositmaterial gering, so dass die Dämpfungsmöglichkeiten begrenzt sind. Auch bei dem erfindungsgemäßen Kompositwandler kann Dämpfungsschaum vorteilhaft eingesetzt werden.
Ein weiterer grundlegender Aspekt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass das Kompositmaterial des piezoelektrischen Wandlerelementes zu einer Dickenschwingung anregbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Anregungselektrodenanordnung und/oder durch eine geeignete Ausgestaltung einer als Wechselspannungsquelle ausgebildeten Anregungseinrichtung gegeben sein, mit welcher das piezoelektrische Wandlerelement betätigbar ist. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist geeigneterweise so ausgebildet, dass die Dickenschwingung über den λ/4-Anpassungskörper auskoppelbar ist. Insbesondere kann sich die Wellenlänge λ bei der Dickenangabe λ/4 des Anpassungskörpers auf die Dickenresonanzfrequenz des Wandlerelementes beziehen.
Unter der Dickenschwingung kann insbesondere eine Schwingungsmode verstanden werden, bei der die Deformation des Wandlerelementes orthogonal zu der vorzugsweise ebenen Stirnfläche des Wandlerelementes erfolgt, auf welcher der λ/4-Anpassungskörper aufgebracht ist. Sofern das Wandlerelement zylindrisch ausgebildet ist, kann die Dickenschwingung auch als Axialschwingung bezeichnet werden. Es hat sich gezeigt, dass mit einem Piezokompositmaterial Dickenschwingungen mit hinreichender Amplitude in besonders einfacher Weise erzeugt werden können.
Die Erfindung erkennt, dass bei einem Betrieb des Ultraschallwandlers in der Dickenresonanz Ultraschallsensoren mit einer besonders kurzen Ansprechzeit zur Verfügung gestellt werden können, was insbesondere im industriellen Umfeld vorteilhaft sein kann. Dieser Erkenntnis liegt die Tatsache zugrunde, dass beim Betrieb des Sensors in der Regel mehrere Messungen gemittelt werden und hieraus rechnerisch ein Messergebnis berechnet wird. Die Ansprechzeit des Sensors hängt dabei neben der Zeit für die Messauswertung unter anderem auch von der Messzykluszeit, also der Zeit, nach der die Messung zur Mittelwertbildung wiederholt wird, ab. Je geringer die Messzykluszeit, desto rascher kann die für die Mittelung erforderliche Zahl der Messungen durchgeführt werden und desto geringer ist somit die Ansprechzeit des Sensors.
Die minimale Messzykluszeit kann jedoch in der Regel nicht beliebig gewählt werden, sondern hängt von der Dämpfung der vom Wandlerelement ausgesandten Ultraschallwelle im gasförmigen Ausbreitungsmedium ab. Bevor eine neue Messung gestartet werden kann, muss so lange gewartet werden, bis die ausgesandte Ultraschallwelle im Raum nahezu vollständig abgeklungen ist. Anderenfalls könnte ein Echo von einem bei einer Messung n ausgesandten Wellenzug in den Zeitraum einer späteren Messung, beispielsweise n + 1, fallen und diese stören. Somit lassen sich besonders niedrige Ansprechzeiten dann realisieren, wenn die ausgesandten Wellen im gasförmigen Ausbreitungsmedium stark bedämpft sind.
Die Intensität einer Ultraschallwelle im Ausbreitungsmedium ist in der Regel proportional zu exp(–f²), wobei f die Frequenz der Ultraschallwelle ist. Es besteht folglich eine sehr starke Abhängigkeit der Dämpfung und somit auch des Erfassungsbereiches von der Arbeitsfrequenz. Die gewünschten kurzen Messzykluszeiten und folglich kurzen Ansprechzeiten lassen sich somit mit einer hohen Ultraschallwandlerfrequenz und damit niedrigem Erfassungsbereich erzielen. Für ein 400 kHz-System beträgt die typischerweise erzielbare Messzykluszeit 10 ms, für ein 65 kHz-System hingegen 100 ms. Die zugehörigen Erfassungsbereiche sind 1 m beziehungsweise 10 m.
Bei der Nutzung einer Vollkeramik in radialer Resonanz gemäß dem Stand der Technik ist die frequenzbestimmende Dimension der Durchmesser des Wandlerelementes, gemessen parallel zur Stirnfläche. Dieser Durchmesser kann zur Erhöhung der Arbeitsfrequenz jedoch nicht beliebig verkleinert werden, ohne dass beispielsweise die Auskopplung über den stirnseitig angeordneten Anpassungskörper und somit die erzielbare Schallintensität und Empfindlichkeit des Wandlers beeinträchtigt wird.
Bei dem erfindungsgemäß in der Dickenresonanz betriebenen Piezokomposit ist hingegen die frequenzbestimmende Dimension die Dicke des Wandlerelementes, insbesondere gemessen senkrecht zur Stirnfläche des Wandlerelements, an welcher der Anpassungskörper angeordnet ist. Diese Dicke kann jedoch in der Regel ohne Einfluss auf das Auskoppelverhalten reduziert werden, so dass sich nach der Erfindung besonders hohe Arbeitsfrequenzen und damit kurze Sensoransprechzeiten realisieren lassen. Beispielsweise kann nach der Erfindung der Anpassungskörper als flache Scheibe ausgebildet sein, deren Durchmesser wesentlich größer als deren Dicke ist, so dass bei guter Ankopplung an den Anpassungskörper eine hohe Arbeitsfrequenz zur Verfügung gestellt wird.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler vorteilhafterweise der Öffnungswinkel über einen besonders weiten Bereich eingestellt werden und insbesondere eine besonders schmale Schallkeule erzielt werden, was beispielsweise für Automatisierungsaufgaben im industriellen Umfeld vorteilhaft ist. Die Erfindung erkennt, dass bei einem gemäß dem Stand der Technik in der radialen Resonanz betriebenen Wandlerelement die Möglichkeiten zur Beeinflussung des Öffnungswinkels des Wandlerelementes vergleichsweise eingeschränkt sind.
Dies kann damit erklärt werden, dass der Öffnungswinkel α eines Ultraschallwandlers sowohl vom Durchmesser D_A der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers, die am Anpassungskörper gegeben ist, als auch von der Wellenlänge λ der emittierten Schwingungen im umgebenden gasförmigen Medium abhängt:
Die Resonanzfrequenz f_res der ersten radialen Resonanz eines zylinderförmigen piezoelektrischen Wandlerelementes mit dem Durchmesser d_W, mit der ein Wandlerelement nach dem Stand der Technik betreiben wird, ist umgekehrt proportional zu diesem Durchmesser d_W:
Mit der Schallgeschwindigkeit c im gasförmigen Medium folgt daraus für die Wellenlänge λ:
Hieraus folgt für den Öffnungswinkel α:
Da der Durchmesser D_A der aktiven Fläche eines bekannten Ultraschallwandlers bauartbedingt in der Regel ungefähr gleich dem Durchmesser d_W der Piezokeramik, also des Wandlerelementes ist, ist der Öffnungswinkel eines bekannten Ultraschallwandlers zumindest in der ersten Näherung unabhängig von den Oberflächendimensionen des Ultraschallwandlers und von dessen Arbeitsfrequenz, das heißt ein 400 kHz-System hat zumindest annähernd denselben Öffnungswinkel wie ein 50 kHz-System. Insbesondere kann der Öffnungswinkel durch Änderung der Wandlergeometrie nur bedingt beeinflusst werden.
Demgegenüber wurde bei der Erfindung erkannt, dass die Resonanzfrequenz der Dickenschwingung zumindest annähernd unabhängig von dem Durchmesser des Wandlerelementes d_W ist. Die aktive Fläche, deren Größe den Öffnungswinkel der Schallkeule bestimmt, kann somit nach der Erfindung grundsätzlich beliebig groß gewählt werden, ohne dass dies die Resonanzfrequenz und somit die Wellenlänge λ der emittierten Wellen beeinflusst, selbst wenn mit einer Größenänderung der aktiven Fläche eine Durchmesseränderung des Wandlerelementes einhergehen muss. Da die Wellenlänge λ im umgebenden Medium nach der Erfindung grundsätzlich unabhängig vom Durchmesser D_A der aktiven Fläche gewählt werden kann, kann erfindungsgemäß durch Änderung des Durchmessers D_A entsprechend der oben genannten Beziehung:
der Öffnungswinkel α im Wesentlichen frei variiert werden. Insbesondere können bei entsprechend großem Durchmesser D_A der aktiven Fläche und des Wandlers sehr kleine Öffnungswinkel erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ein Öffnungswinkel erzielt werden kann, der zumindest um den Faktor 3 kleiner ist als bei der Verwendung eines vollkeramischen Wandlerelementes im radialen Schwingungsmodus nach dem Stand der Technik.
Ein Piezokompositmaterial weist piezoelektrische Elemente auf, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Matrixmaterial um ein Polymer, das besonders gute Dämpfungseigenschaften aufweisen kann. Das Polymer ist vorzugsweise ein Gießharz. Insbesondere kann das Polymer Silikon und/oder ein Epoxydharz aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, dass das Polymer ein Epoxydharzglashohlkugelgemisch aufweist. Ein solches Material hat bei guten mechanischen Eigenschaften eine geringe Dichte, was im Hinblick auf die Impedanzanpassung am λ/4-Anpassungskörper besonders vorteilhaft sein kann.
Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass das Piezokompositmaterial ein 1-3-Komposit ist. Ein derartiges Material weist eine 1-3-Konnektivität auf, wobei die Konnektivität insbesondere angeben kann, in wie vielen orthogonalen Dimensionen sich die jeweiligen Phasen innerhalb des Komposits kontinuierlich erstrecken. Bei einem 1-3-Komposit erstrecken sich die piezoelektrischen Elemente in einer orthogonalen Raumrichtung und die passive Matrixkomponente erstreckt sich in drei orthogonalen Raumrichtungen, das heißt die aktive Phase ist eindimensional und die passive Phase dreidimensional verbunden. Es hat sich gezeigt, dass Piezokompositmaterialien, insbesondere 1-3-Komposite, für einen Betrieb des Wandlerelementes in der Dickenresonanz besonders gut geeignet sind. Vorzugsweise verläuft die Stirnfläche des Wandlerelementes, an welcher der Anpassungskörper angebracht ist, zumindest annähernd orthogonal zu der Raumrichtung, in der sich die piezoelektrischen Elemente des 1-3-Komposits erstrecken.
Insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsaufwand besonders zweckmäßig ist es, dass die piezoelektrischen Elemente des Piezokompositmaterials faserförmig und/oder stäbchenförmig ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente länglich ausgebildet. Insbesondere für eine besonders hohe Schallintensität ist es vorteilhaft, dass die länglichen piezoelektrischen Elemente zumindest annähernd senkrecht zur Stirnfläche des Wandlerelementes verlaufen, auf welcher der Anpassungskörper angebracht ist. Grundsätzlich können sich die piezoelektrischen Elemente auch parallel zu dieser Stirnfläche und/oder schrägwinklig hierzu erstrecken. Grundsätzlich können die piezoelektrischen Elemente auch gekrümmt ausgebildet sein.
Insbesondere für eine besonders wirksame Schallwandlung ist es vorteilhaft, dass die piezoelektrischen Elemente zumindest annähernd parallel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise um das Auftreten unerwünschter Resonanzen zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, dass die piezoelektrischen Elemente unregelmäßig in der Matrix verteilt sind, insbesondere unregelmäßig im parallel zur Stirnfläche verlaufenden Querschnitt angeordnet sind. Für eine besonders einfache Herstellung kann jedoch auch eine periodische Anordnung der piezoelektrischen Elemente vorteilhaft sein.
An Stelle der Verwendung eines 1-3-Komposits kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Piezokompositmaterial ein 2-2-Komposit ist. Bei einem solchen Verbundwerkstoff ist sowohl die piezoelektrische Phase als auch die passive Matrixphase jeweils zweidimensional verbunden. Ein 2-2-Komposit kann in seiner Herstellung be sonders wirtschaftlich sein. Grundsätzlich kann das piezoelektrische Wandlerelement auch mehrere Piezokompositmaterialien unterschiedlicher Konnektivität aufweisen.
Bei dem Piezokompositmaterial kann es sich beispielsweise um ein Faserkomposit handeln. Ein solches Faserkomposit weist piezoelektrische Fasern, insbesondere Keramikfasern auf, die mit Polymer umgossen sind. Zur Herstellung eines solchen Faserkomposits werden beispielsweise die Keramikfasern in eine Form gelegt und mit Polymer umgossen. Anschließend wird der durch das Umgießen erhaltene Block in dünne Scheiben geschnitten. Derartige Faserkomposite sind besonders kostengünstig herstellbar.
Alternativ kann es sich bei dem Piezokompositmaterial auch um ein Dice-and-Fill-Material handeln. Dieses weist ein Gitter von piezoelektrischen Stäbchen auf, die aus einer Vollkeramik gesägt sind, wobei die hierbei entstehenden Zwischenräume mit einem Polymer verfüllt sind.
Alternativ kann es sich bei dem Piezokompositmaterial auch um ein Spritzgussmaterial handeln. Ein solches Spritzgussmaterial ist dadurch hergestellt, dass das piezoelektrische Material in entsprechende Formen gepresst wird, so dass Keramikstäbchen auf einer Grundplatte stehen bleiben. Anschließend wird der hierbei entstehende so genannte Grünling gesintert. Die Zwischenräume zwischen den Keramikstäbchen werden daraufhin mit Polymer verfüllt und die Grundplatte wird schließlich abgeschliffen.
Nach der Erfindung ist es ferner besonders vorteilhaft, dass der Anpassungskörper auf das Wandlerelement aufgeklebt ist. Hierdurch kann in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise eine Kopplung zwischen dem Anpassungskörper und dem Wandlerelement erzeugt werden. Grundsätzlich sind aber auch beliebige andere Fügetechniken zur Verbindung des Anpassungskörpers mit dem Wandlerelement denkbar.
Der Herstellungsaufwand kann weiter dadurch verringert werden, dass das piezoelektrische Wandlerelement als zylindrische Scheibe ausgebildet ist. Das Wandlerelement kann aber beispielsweise auch quaderförmig und/oder prismenförmig ausgebildet sein.
Für eine kleine Strahlkeule bei einem geringen Materialaufwand ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Scheibe senkrecht zur Stirnfläche, vorzugsweise zumindest um einen Faktor 4, kleiner als ihr Durchmesser ist. Sofern das Wandlerelement nicht zylindrisch ausgebildet ist, ist die Dicke des Wandlerelementes senkrecht zur Stirnfläche vorzugsweise und zumindest ein Faktor 4 kleiner als seine Abmessungen parallel zur Stirnfläche. Beispielsweise kann die zylindrische Scheibe einen Durchmesser von 5 mm und eine Dicke von 1 mm aufweisen. Die aktive Fläche, also insbesondere die Oberfläche des Anpassungskörpers, kann beispielsweise einen Durchmesser von 6 mm aufweisen. Das Wandlerelement mit dem Anpassungskörper kann insbesondere in eine Gewindehülse, beispielsweise eine 12 mm-Gewindehülse, eingebaut sein. Hierzu sind die genannten Abmessungen des Wandlerelementes besonders gut geeignet.
Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass ein Öffnungswinkel des Wandlers weniger als ± 2,5° bei halbem Schalldruck beträgt.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler kann mit besonders hohen Arbeitsfrequenzen betrieben werden. Beispielsweise können Arbeitsfrequenzen oberhalb von 500 kHz vorgesehen sein. Insbesondere kann der Ultraschallwandler für eine Arbeitsfrequenz von zumindest annähernd 850 kHz ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler kann dabei einen Nahbereich von zumindest annähernd 10 mm, einen Erfassungsbereich von zumindest annähernd 170 mm und/oder eine Messzykluszeit von zumindest annähernd 1,5 ms aufweisen. Neben den zuvor erläuterten Vorteilen hinsichtlich der Ansprechzeiten ist bei hohen Arbeitsfrequenzen der Materialbedarf für das piezoelektrische Wandlerelement besonders gering, so dass ein besonders wirtschaftlicher Ultraschallwandler erhalten wird.
Um die Dämpfungseigenschaften des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, dass am piezoelektrischen Wandlerelement zumindest ein Dämpfungselement, insbesondere aus einem Schaummaterial, angeordnet ist. Insbesondere kann das Wandlerelement in dieses Schaummaterial eingebettet sein. Ein solches Schaummaterial kann auch am Anpassungskörper vorgesehen sein.
Für besonders gut definierte Abstrahleigenschaften ist es nach der Erfindung vorteilhaft, dass der Anpassungskörper entlang der Stirnfläche durchgehend eine konstante Dicke aufweist. Insbesondere um den Ultraschallwandler über einem breiten Frequenzbereich betreiben zu können, kann es jedoch vorteilhaft sein, dass die Dicke des Anpassungskörpers über der Stirnfläche des Wandlerelementes variiert. Bei spielsweise kann der Anpassungskörper keilförmig ausgebildet sein und/oder eine konische Struktur aufweisen.
Eine besonders einfache Bauform wird nach der Erfindung dadurch erhalten, dass der Anpassungskörper zumindest annähernd dieselben radialen Abmessungen aufweist wie das piezoelektrische Wandlerelement. Unter radialen Abmessungen können dabei insbesondere die Abmessungen in der Ebene der Stirnfläche verstanden werden. Zur weiteren Verengung der Strahlkeule bei geringem Materialaufwand kann jedoch vorgesehen sein, dass die radialen Abmessungen des Anpassungskörpers größer sind als die des Wandlerelementes. Insbesondere in diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, dass der Anpassungskörper in einem zum piezoelektrischen Wandlerelement versetzten Bereich eine Dickenvergrößerung aufweist und insbesondere als λ/2-Körper ausgebildet ist. Durch Fortsetzung der λ/4-Schicht nach außen durch eine λ/2-Schicht können parasitäre Schwingungen besonders gut unterdrückt werden, so dass eine besonders vorteilhafte Abstrahlcharakteristik erhalten wird.
Die im Zusammenhang mit dem Anpassungskörper angegebenen Wellenlängenangaben λ können sich auf die Resonanzfrequenzen des Wandlerelementes, vorzugsweise auf dessen Dickenschwingungsresonanzfrequenz beziehen, die durch die Abmessungen des Wandlerelementes gegeben sind. So ist erfindungsgemäß beispielsweise ein Anpassungskörper dann ein λ/4-Anpassungskörper, wenn seine Dicke ein Viertel der Wellenlänge der Dickenschwingungsmode des Wandlerelementes beträgt.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist ein das Wandlerelement umgebender Metallring vorgesehen. Dieser Metallring, der insbesondere auf der dem Wandlerelement zugewandten Stirnfläche des Anpassungskörpers angebracht sein kann, dient zur Unterdrückung von unerwünschten Resonanzen und außerdem zur Vergrößerung der schwingenden Fläche.
Die Erfindung betrifft ferner einen Ultraschallerzeuger mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler und einer elektrischen Anregungseinrichtung, die zum Anregen des Ultraschallwandlers in dessen Dickenresonanz eingerichtet ist. Die elektrische Anregungseinrichtung kann beispielsweise eine Wechselspannungsquelle aufweisen, die mit dem Ultraschallwandler in Leitungsverbindung steht. Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers können die in diesem Zusammenhang erläuterten Vorteile bei einem Schallerzeuger realisiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen akustischen Sensor, insbesondere zum Entfernungsmessen oder für eine Ultraschallschranke, mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, einer elektrischen Anregungseinrichtung, die zum Anregen des Ultraschallwandlers in dessen Dickenresonanz eingerichtet ist, und einer Empfängereinrichtung, die zur Auswertung von Ultraschallsignalen eingerichtet ist, die am Ultraschallwandler vorliegen. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler sowohl im Sendebetrieb als auch im Empfangsbetrieb zu betreiben, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile des Ultraschallwandlers beim Duplexbetrieb zum Tragen kommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen:
1 eine Längsschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
2 eine Längsschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
3 eine Längsschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
4 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Wandlerelement nach dem Stand der Technik zur Erläuterung der Radialschwingung;
5 eine perspektivische Ansicht eines Wandlerelementes zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler zur Erläuterung der Dickenschwingung; und
6 eine schematische Draufsicht auf die Stirnfläche eines piezoelektrischen Wandlerelementes zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, das mit Piezokompositmaterial ausgebildet ist.
Gleich oder ähnlich wirkende Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist in 1 dargestellt. Der Ultraschallwandler weist ein zylindrisches piezoelektrisches Wandler element 1 mit der Dicke h und dem Durchmesser d_W auf. An einer Stirnfläche 10 des zylindrischen Wandlerelementes 1, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, ist ein ebenfalls zylindrischer Anpassungskörper 3 auf das piezoelektrische Wandlerelement 1 aufgeklebt.
Der Anpassungskörper 3 weist durchgehend eine Dicke von λ/4 auf, wobei λ die Wellenlänge der Dickenresonanzschwingung des Wandlerelementes 1 gemessen im Anpassungskörper 3 ist. Aufgrund dieser Dickenwahl erlaubt der als Anpassungsschicht ausgebildete Anpassungskörper 3 eine besonders gute Auskopplung von Ultraschallintensität aus dem Wandlerelement 1 in die Umgebung und eine besonders gute Einkopplung von Intensität aus der Umgebung in dieses Wandlerelement 1. Auf der dem Wandlerelement 1 abgewandten Stirnfläche 31 des Anpassungskörper 3 ist die aktive Fläche des Ultraschallwandlers ausgebildet.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 weist der Anpassungskörper 3 mit seiner aktiven Fläche denselben Durchmesser D_A auf wie das piezoelektrische Wandlerelement 1 und ist konzentrisch zu diesem angeordnet, so dass das Wandlerelement 1 und der Anpassungskörper 3 fluchten.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist der koaxial zum Wandlerelement 1 angeordnete Anpassungskörper 3 durchmessergrößer verglichen mit dem Wandlerelement 1 ausgebildet und weist somit einen zum Wandlerelement 1 radial versetzten, ringartigen Bereich 19 auf. Während die Dicke des Anpassungskörpers 3 im Bereich des Wandlerelementes 1 λ/4 beträgt, ist der Anpassungskörper 3 in dem zum Wandlerelement 1 versetzten Bereich 19 mit einer größeren Dicke λ/2 ausgebildet. Durch diese Dickenvergrößerung können unerwünschte Resonanzen verhindert werden. Außerdem vergrößert sich die schwingende Fder Dicke λ/2 siläche. Die Bereiche mit der Dicke λ/4 und diejenigen mit nd integral ausgebildet.
Auf seiner dem Wandlerelement 1 abgewandten Stirnfläche 31, welche die aktive Fläche bildet, ist der Anpassungskörper 3 eben ausgebildet.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist der koaxial zum Wandlerelement 1 angeordnete Anpassungskörper 3 ebenfalls durchmessergrößer verglichen mit dem Wandlerelement 1 ausgebildet. Der Anpassungskörper 3 weist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 jedoch durchgehend dieselbe Dicke λ/4 auf. Zur Unterdrückung unerwünsch ter Resonanzen und zur Vergrößerung der schwingenden Fläche ist auf der dem Wandlerelement 1 zugewandten Stirnfläche 32, über die der Anpassungskörper 3 mit der Stirnfläche 10 des Wandlerelementes 1 verbunden ist, ein Metallring 16 vorgesehen, der das Wandlerelement 1 umgibt.
4 zeigt in Draufsicht ein zylindrisches Wandlerelement 1, das gemäß dem Stand der Technik in seiner radialen Resonanz betrieben wird. Bei einem solchen Betrieb tritt eine periodische Durchmesseränderung des Wandlerelementes 1 auf.
5 zeigt in perspektivischer Ansicht ein zylindrisches Wandlerelement 1, das entsprechend der Erfindung in seiner Dickenresonanz betrieben wird. Hierbei ändert sich periodisch die Dicke des Wandlerelementes.
6 zeigt in Draufsicht ein weiteres Wandlerelement 1 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler. Das Wandlerelement 1 ist als Faserkomposit ausgebildet und weist als solches eine Vielzahl faserförmiger piezoelektrischer Elemente 21 auf, die sich zumindest annähernd parallel zueinander orthogonal zur Stirnfläche 10, das heißt senkrecht zur Zeichenebene der 6, erstrecken. Diese faserförmigen piezoelektrischen Elemente 21 sind in einer Matrix aus einem Polymer 22 angeordnet.

Claims

Ultraschallwandler für den Betrieb in einem gasförmigen Medium, insbesondere in Luft, mit – einem piezoelektrischen Wandlerelement (1), das elektrisch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist, und – einem auf einer Stirnfläche (10) des Wandlerelementes (1) aufgebrachten λ/4-Anpassungskörper (3), dadurch gekennzeichnet, – dass das piezoelektrische Wandlerelement (1) ein Piezokompositmaterial aufweist, welches im Betrieb zu einer Dickenschwingung anregbar ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokompositmaterial piezoelektrische Elemente (21) aufweist, die in einem Polymer (22), insbesondere in Epoxydharz, eingebettet sind.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokompositmaterial ein 1-3 Komposit ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (21) des Piezokompositmaterials faserförmig und/oder stäbchenförmig ausgebildet sind.
Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (21) zumindest annähernd parallel zueinander angeordnet sind.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokompositmaterial ein 2-2 Komposit ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokompositmaterial ein Faserkomposit, ein Dice-and-Fill-Material oder ein Spritzgussmaterial ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (3) auf das piezoelektrische Wandlerelement (1) aufgeklebt ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (1) als zylindrische Scheibe ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Scheibe senkrecht zur Stirnfläche (10), vorzugsweise um zumindest einen Faktor 4, kleiner als ihr Durchmesser ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel weniger als ± 2,5° bei halbem Schalldruck beträgt.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am piezoelektrischen Wandlerelement (1) zumindest ein Dämpfungselement, insbesondere aus einem Schaummaterial, angeordnet ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (3) in einem zum piezoelektrischen Wandlerelement (1) versetzen Bereich (19) eine Dickenvergößerung aufweist und insbesondere als λ/2-Körper ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Wandlerelement (1) umgebender Metallring (16) vorgesehen ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (1) eine Resonanzfrequenz von größer als 500 kHz aufweist.
Ultraschallerzeuger mit – einem Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche und – einer elektrischen Anregungseinrichtung, die zum Anregen des Ultraschallwandlers in dessen Dickenresonanz eingerichtet ist.
Akustischer Sensor, insbesondere zum Entfernungsmessen oder für eine Ultraschallschranke, mit – einem Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, – einer elektrischen Anregungseinrichtung, die zum Anregen des Ultraschallwandlers in dessen Dickenresonanz eingerichtet ist, und – einer Empfängereinrichtung die zur Auswertung von Ultraschallsignalen eingerichtet ist, die am Ultraschallwandler vorliegen.