DE202007007135U1 - Ultrasonic transducer for sending and receiving ultrasonic signal in e.g. air, has piezoelectric transducer unit e.g. piezoceramic, radially coupled to pot base in form-fit and force-fit manner, and housing made of aluminum oxide - Google Patents

Ultrasonic transducer for sending and receiving ultrasonic signal in e.g. air, has piezoelectric transducer unit e.g. piezoceramic, radially coupled to pot base in form-fit and force-fit manner, and housing made of aluminum oxide Download PDF

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Abstract

The transducer has a cup-shaped housing with an adapted inner contour that includes a pot base functioning as a sound radiating diaphragm. A cylinder-, prismatic-, disk- or pyramid frustum- shaped piezoelectric transducer unit (4) e.g. piezoceramic, is radially coupled to the pot base in a form-fit and force-fit manner. An outlet is provided for observing a defined distance of the unit. The unit is provided with a hole. The housing is made of aluminum oxide. A flange is attached to a part of the housing.

Description

Ein Ultraschallwandler ist ein elektromechanischer Wandler und dient zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen in Medien wie Flüssigkeiten (z. B. Wasser) oder Gasen (z. B. Luft). In Ultraschallwandlern dienen überwiegend piezoelektrische Werkstoffe als Wandlerelement, um elektrische Signale in mechanische Schwingungen und umgekehrt umzusetzen. Um mit den geringen Auslenkungen von piezoelektrischen Werkstoffen ausreichend hohe Schalldrücke z. B. in Luft zu erzeugen, ist eine elektrische und mechanische (akustische) Impedanzanpassung erforderlich.One Ultrasonic transducer is an electromechanical transducer and is used for sending and receiving ultrasound signals in media such as liquids (eg water) or gases (eg air). In ultrasonic transducers serve predominantly Piezoelectric materials as a transducer element to electrical signals into mechanical vibrations and vice versa. To be with the small deflections of piezoelectric materials sufficient high sound pressure z. B. in air, is an electrical and mechanical (acoustic) impedance matching required.

Die elektrische Impedanzanpassung wird über dünne, scheibenförmige Piezokeramiken (Dicke < ¼ Durchmesser) erreicht, die als Planarschwinger arbeiten. Je dünner die Piezokeramik ist, desto höher wird die Feldstärke und damit die relative planare Verzerrung der Piezoscheibe für eine gegebene Ansteuerspannung. Durch die Querkontraktion (Poissonzahl) der Piezokeramik wird mit dem Durchmesser der Piezoscheibe auch die Scheibendicke verzerrt. Die Dickenänderung der Scheibe führt in einem angrenzenden Medium zur Schallabstrahlung in Richtung der Flächennormale.The Electrical impedance matching is achieved via thin, disk-shaped piezoceramics (Thickness <¼ diameter) achieved, who work as Planarschwinger. The thinner the piezoceramic is, the higher it gets the field strength and thus the relative planar distortion of the piezo disk for a given Driving voltage. Due to the transverse contraction (Poisson number) of the piezoceramic becomes with the diameter of the piezo disc and the disc thickness distorted. The thickness change the disc leads in an adjacent medium for sound radiation in the direction of Surface normal.

Weiterhin ist eine akustische Impedanzanpassung erforderlich, um Schallenergie in nennenswertem Umfang aus der akustisch harten Piezokeramik (ZPZT ≈ 30·106 kg/(m2s); Schallkennimpedanz: Z = Dichte·Schallgeschwindigkeit) in akustisch weiche Medien wie z. B. Luft (ZLuft = 0,44·106 kg/(m2s)) auszukoppeln.Furthermore, an acoustic impedance matching is required to a considerable extent sound energy from the acoustically hard piezoceramic (Z PZT ≈ 30 · 106 kg / (m 2 s), acoustic characteristic impedance: Z = density · sound velocity) in acoustically soft media such. B. Air (Z air = 0.44 · 10 6 kg / (m 2 s)) to decouple.

Eine bekannte Lösung sind piezokeramische Festkörperschwinger, bei denen eine λ/4-Schicht aus einem Anpassmaterial auf die Piezokeramik aufgebracht ist, um den Schallübergang zum Ausbreitungsmedium zu optimieren. Dieses Prinzip ist z. B. in der DE 20 2004 002 107 U1 ausführlich beschrieben. Eine optimale Impedanzanpassung von Piezokeramik zu Luft erfordert ein Anpassmaterial, dessen Schallkennimpedanz ZAnpass etwa 3,5·106kg/(m2s) beträgt. Materialien mit dieser vorteilhaften Schallkennimpedanz sind beispielsweise Elastomere, Thermoplaste oder entsprechend mit Hohlraum bildenden Füllstoffen versehene Epoxide. Mit solchen Werkstoffen lässt sich zwar ein zufriedenstellender Wirkungsgrad erzielen. Nachteile ergeben sich jedoch durch einen eingeschränkten Temperatureinsatzbereich und geringe mechanische Robustheit sowie geringe chemische Beständigkeit.A known solution is piezoceramic solid-state oscillators, in which a λ / 4 layer of an adaptation material is applied to the piezoceramic to optimize the sound transmission to the propagation medium. This principle is z. B. in the DE 20 2004 002 107 U1 described in detail. An optimal impedance matching of piezoceramic to air requires a matching material whose acoustic characteristic impedance Z matching is about 3.5 × 10 6 kg / (m 2 s). Materials having this advantageous acoustic characteristic impedance are, for example, elastomers, thermoplastics or epoxides correspondingly provided with cavity-forming fillers. Although such materials can achieve a satisfactory efficiency. However, disadvantages result from a limited temperature range of use and low mechanical robustness as well as low chemical resistance.

Mit gesinterten Kunststoffen wie z. B. PTFE als Anpassmaterial wird eine hohe chemische Stabilität erzielt. Die notwendige scherfeste Verbindung der planar schwingenden Piezokeramik mit dem Anpassmaterial ist jedoch nur mit großem technischen Aufwand machbar. Zudem weisen Kunststoffe und Klebstoffe deutliche Änderungen der Schallgeschwindigkeit bzw. Festigkeit über den für technische Anwendungen interessanten Temperaturbereich von –40°C bis etwa 120°C auf, was sich in Form von Frequenzänderungen negativ bemerkbar macht.With sintered plastics such. B. PTFE as an adaptation material a high chemical stability achieved. The necessary shear-resistant connection of the planar oscillating Piezoceramic with the fitting material is only with great technical effort makeable. In addition, plastics and adhesives have significant changes the speed of sound or strength over those of interest for technical applications Temperature range from -40 ° C to about 120 ° C, which is in the form of frequency changes makes a negative impression.

Eine weitere Form der mechanischen Impedanzanpassung besteht darin, die vergleichsweise kleine Änderung des Durchmessers eines piezokeramischen Planarschwingers in eine relativ große Auslenkung eines Biegeelementes zu transformieren. Dazu wird eine piezokeramische Scheibe auf den Boden eines topfförmigen Wandlergehäuses aufgeklebt. Ausführungsformen dieses Wandlerprinzips sind z. B. in der DE 10 2004 031 310 A1 und der DE 197 44 229 A1 beschrieben.Another form of mechanical impedance matching is to transform the relatively small change in diameter of a piezoceramic planar oscillator into a relatively large deflection of a flexure. For this purpose, a piezoceramic disc is glued to the bottom of a cup-shaped converter housing. Embodiments of this converter principle are z. B. in the DE 10 2004 031 310 A1 and the DE 197 44 229 A1 described.

In 1 ist so ein topfförmiger Biegeschwinger dargestellt, bei dem eine Piezo-Scheibe (2) auf den Boden des Gehäuses (1) schertest befestigt, z. B. geklebt ist. Wird die Piezo-Scheibe durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung angeregt, führt der Verbund aus Piezokeramik und Topfboden (3) Biegeschwingungen aus. Besteht das Topfgehäuse aus Stahl oder einem anderen chemisch stabilen Material, eignen sich solche Wandler aufgrund der geschlossenen Bauform für Anwendungen in aggressiven Medien.In 1 Such a cup-shaped bending vibrator is shown in which a piezo disc ( 2 ) to the bottom of the housing ( 1 ) schert test attached, z. B. is glued. If the piezo disk is excited by applying an electrical alternating voltage, the composite of piezoceramic and pot bottom ( 3 ) Bending vibrations. If the pot housing is made of steel or another chemically stable material, such transducers are suitable for applications in aggressive media due to their closed design.

Der elektromechanische Wirkungsgrad solcher Biegewandler ist besonders hoch, wenn die Piezokeramikscheibe und der Topfboden dünn gegenüber dem Durchmesser des Topfbodens sind. In diesem Fall ist die Resonanzfrequenz des Biegeverbundes deutlich unterhalb der ursprünglichen Frequenz der Planarschwingung der Piezoscheibe. Dies hat zur Folge, dass die Schallkeulen von Biegewandlern in der Regel einen –3 dB-Öffnungswinkel > 20° aufweisen. Für Einsatzzwecke, bei denen eine hohe Ortsauflösung gefordert wird, sind Biegewandler daher ungeeignet.Of the Electromechanical efficiency of such bending transducer is special high, when the piezoceramic disk and the pot bottom thin against the Diameter of the pot bottom are. In this case, the resonance frequency of the bending composite clearly below the original frequency of the planar oscillation the piezo disk. This has the consequence that the sound lobes of Bending transducers usually have a -3 dB opening angle> 20 °. For purposes of use, where a high spatial resolution is required, bending converters are therefore unsuitable.

Bei Biegewandlern wird die Klebeverbindung zwischen Piezoscheibe und Boden des Gehäuses auf Scherung beansprucht. Die Frequenz und die Qualität der Schwingung werden wesentlich durch die mechanischen Eigenschaften des Verbundes aus Topfboden, Klebeschicht und Piezokeramik bestimmt. Die Toleranzen und der Temperaturgang der Klebstoffeigenschaften wirken sich ungünstig aus, was ein weiterer Nachteil ist.at Bending transducers is the adhesive bond between the piezo disc and Bottom of the housing Shearing claimed. The frequency and the quality of the vibration become essential due to the mechanical properties of the composite determined from pot base, adhesive layer and piezoceramic. The tolerances and the temperature behavior of the adhesive properties are unfavorable, which Another disadvantage is.

Auf Grund der Biegebeanspruchung der spröden Piezokeramik sind zudem der Belastbarkeit von Biegewandlern Grenzen gesetzt.On The reason for the bending stress of the brittle piezoceramic are also the load capacity of bending transducers limits.

Aufgabenstellung für die Erfindungtask for the invention

Mit der Erfindung soll ein Ultraschallwandler geschaffen werden, der sich für den Einsatz in aggressiven Medien eignet, eine schmale Schallkeule mit einem –3 dB-Öffnungswinkel < 20° hat, eine hohe mechanische und thermische Robustheit aufweist, ohne Scherbeanspruchung der Klebeverbindung auskommt, keine Biegebeanspruchung der Piezokeramik bewirkt und einen geringen Temperaturgang der Frequenz gewährleistet.With the invention, an ultrasonic transducer be created, which is suitable for use in aggressive media, has a narrow sound beam with a -3 dB opening angle <20 °, has a high mechanical and thermal robustness, does not require shear stress of the adhesive bond, no bending stress causes the piezoceramic and a small Temperature variation of the frequency ensured.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein piezoelektrisches Element (4) radial kraft- und formschlüssig an die Innenwand eines topfförmigen Gehäuses angekoppelt wird, so dass dieses Element nicht mit dem als schwingende Membran wirkenden Topfboden verbunden ist (2).The object is achieved according to the invention in that a piezoelectric element ( 4 ) is coupled radially non-positively and positively to the inner wall of a cup-shaped housing, so that this element is not connected to the acting as a vibrating membrane pot bottom ( 2 ).

Vorteilhaft aber nicht notwendigerweise handelt es sich bei dem piezoelektrischen Element und dem Topfgehäuse um rotationssymmetrische Körper. Die erfindungsgemäßen Vorteile können ebenso mit piezoelektrischen Körpern erzielt werden, die eine beliebige zylindrische, prismatische oder pyramidenstumpfförmige Struktur aufweisen und erfindungsgemäß in ein entsprechend ausgeführtes Topfgehäuse eingebracht werden.Advantageous but not necessarily the piezoelectric Element and the pot housing around rotationally symmetrical body. The Advantages of the invention can as well with piezoelectric bodies be achieved, which is any cylindrical, prismatic or truncated pyramidal Have structure and introduced according to the invention in a correspondingly executed pot housing become.

Um in der praktischen Umsetzung sicherzustellen, dass der Abstand des piezoelektrischen Elementes zum Topfboden sicher eingehalten wird, kann erfindungsgemäß am Übergang vom Topfboden zur Wand des Topfgehäuses ein Absatz (6) vorgesehen werden, auf dem das Piezoelement in definierter Lage zum Topfboden aufliegt (3). Dieser Absatz kann sowohl aus einzelnen Auflagepunkten als auch aus einer umlaufenden Stufe bestehen. Der Absatz kann ein Teil vom Gehäuse sein oder auch aus einem anderen Material bestehen.In order to ensure in the practical implementation that the distance of the piezoelectric element is securely maintained to the pot bottom, according to the invention at the transition from the bottom of the pot to the wall of the pot housing a paragraph ( 6 ) are provided, on which the piezoelectric element rests in a defined position to the bottom of the pot ( 3 ). This paragraph can consist of both individual support points as well as of a circulating level. The heel may be part of the housing or may be made of another material.

Das piezoelektrische Element besteht im einfachsten Fall aus einer scheibenförmigen Piezokeramik (7), die an ihrer Ober- und Unterseite metallisiert ist und als Planarschwinger arbeitet. Erfindungsgemäß kann auch ein ringförmiges piezokeramisches Element (4) eingesetzt werden, bei dem die Kontaktierung der dem Gehäuseboden zugewandten Elektrode der Piezokeramik mittels einer dünnen Litze besonders einfach vorgenommen werden kann. Bei piezokeramischen Ringen und Scheiben liegt in den meisten Fällen eine axiale Polarisierung vor, wobei die Ansteuerelektroden auf der Ober- und Unterseite angebracht sind. Es gibt jedoch auch radial polarisierte piezokeramische Rohre, bei denen die Elektroden auf der inneren und äußeren Zylindermantelfläche liegen. Diese eigenen sich ebenfalls für den erfindungsgemäßen Wandler und lassen sich sehr gut kontaktieren.The piezoelectric element consists in the simplest case of a disk-shaped piezoceramic ( 7 ), which is metallised at its top and bottom and works as a planar oscillator. According to the invention, an annular piezoceramic element ( 4 ) can be used, in which the contacting of the housing bottom facing electrode of the piezoceramic can be made particularly simple by means of a thin wire. For piezoceramic rings and disks, there is in most cases an axial polarization with the drive electrodes mounted on the top and bottom. However, there are also radially polarized piezoceramic tubes, in which the electrodes lie on the inner and outer cylinder jacket surface. These are also suitable for the converter according to the invention and can be contacted very well.

Bei der Verwendung einer scheibenförmigen Piezokeramik (7), wie in 4 dargestellt, ist es von Vorteil, beispielsweise eine zentrale Bohrung von ca. 0,8 mm vorzusehen, durch die ein dünnes Anschlusselement durchgeführt und an der dem Topfboden zugewandten Elektrode angelötet werden kann. Es können auch andere, dem Fachmann nahe liegende Verfahren zur Kontaktierung einer Piezokeramik eingesetzt werden (z. B. Umkontaktierung).When using a disk-shaped piezoceramic ( 7 ), as in 4 shown, it is advantageous to provide, for example, a central bore of about 0.8 mm, performed by a thin connection element and can be soldered to the pot bottom facing electrode. It is also possible to use other methods, which are obvious to the person skilled in the art, for contacting a piezoceramic (eg re-contacting).

Aufgrund der Eigenschaft von Piezokeramiken, große Kräfte bei geringen Auslenkungen ausüben zu können, ist eine entsprechend dimensionierte piezoelektrische Scheibe in der Lage, auch Topfgehäuse aus sehr steifen Materialien mit einem Elastizitätsmodul > 100 GPa hinreichend stark zu verzerren. Da die piezoelektrische Scheibe erfindungsgemäß nicht direkt mit der schallabstrahlenden Membran gekoppelt ist, gelingt es mit solchen Topfmaterialien, vergleichsweise hohe Frequenzen der Topfbodenschwingung anzuregen und den gewünschten –3 dB-Öffnungswinkel der Schallkeule von < 20° zu erzielen. Allgemein werden hohe Frequenzen mit Werkstoffen erzielt, die eine vergleichsweise niedrige Dichte bei einem möglichst hohen Elastizitätsmodul aufweisen.by virtue of the property of piezoceramics, large forces with low deflections exercise to be able to is a suitably sized piezoelectric disk in able, also pot housing From very rigid materials with a modulus of elasticity> 100 GPa to distort sufficiently strong. Since the piezoelectric disc according to the invention not directly with the sound-emitting Membrane is coupled, it is possible with such pot materials, comparatively high frequencies of the pot floor vibration and the desired -3 dB opening angle to achieve the sound beam of <20 °. In general, high frequencies are achieved with materials that have a have comparatively low density at the highest possible elastic modulus.

Dieses vorteilhafte Verhalten wird erzielt, wenn für das Material des Topfgehäuses eine Hochleistungskeramik, z. B. Aluminiumoxid verwendet wird. Zu den beschriebenen Vorteilen kommt bei diesem Material eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischer, mechanischer und chemischer Beanspruchung, was den Einsatzbereich erfindungsgemäßer Wandler deutlich über den vorhandener Wandlerkonzepte erweitert. Dadurch, dass die Membran nicht direkt mit der Piezokeramik in Kontakt steht, ist die erzielte Resonanzfrequenz des Wandlers weitgehend unabhängig von Toleranzen der Piezokeramik und im wesentlichen von den Geometrie- und Materialtoleranzen des Topfbodens abhängig. Auch die Temperaturstabilität der Resonanzfrequenz ist durch den Temperaturgang der elastischen Eigenschaften der Hochleistungskeramik bestimmt und entsprechend hoch. Zudem vermeidet die Verwendung zweier keramischer Werkstoffe mit ähnlichen und kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. PZT und Aluminiumoxid) das Auftreten von schädlichen mechanischen Spannungen bei Wechseltemperaturbeanspruchung.This advantageous behavior is achieved when for the material of the pot housing a High-performance ceramics, z. B. alumina is used. To the described advantages comes with this material a special high stability across from thermal, mechanical and chemical stress, causing the Application of inventive converter clearly over extended the existing converter concepts. Because of the membrane is not directly in contact with the piezoceramic is the scored Resonant frequency of the transducer largely independent of tolerances of the piezoceramic and essentially from the geometry and material tolerances of Pot bottom dependent. Also the temperature stability the resonance frequency is due to the temperature response of the elastic Properties of high performance ceramics determined and according to high. In addition, the use of two ceramic materials avoids with similar and small coefficients of thermal expansion (eg PZT and alumina) the occurrence of harmful mechanical stresses at alternating temperature stress.

Da Scherbeanspruchungen zwischen Topfboden und Piezoelement erfindungsgemäß vermieden werden, können hochtemperaturfeste Kleber auf der Basis von Aluminiumoxid verwendet werden, um den form- und kraftschlüssigen radialen Kontakt zwischen Piezoelement und Topfinnenwand herzustellen. Es ist sogar möglich, durch konische Ausführung der Innenwand des Topfgehäuses einerseits und der Mantelfläche des Piezoelementes andererseits den erforderlichen Kraftschluss zwischen Piezoelement und Gehäuse herzustellen, ohne dass die Kraft über einen dazwischen befindlichen Klebstoff übertragen wird. Beide Ausführungsformen ermöglichen den Betrieb des Wandlers bei hohen Temperaturen, wobei die Einsatztemperatur durch die Curietemperatur des verwendeten Piezoelementes begrenzt ist.Since shear stresses between the bottom of the pot and the piezoelectric element are avoided according to the invention, high-temperature-resistant adhesives based on aluminum oxide can be used to produce the positive and non-positive radial contact between the piezoelement and the inner wall of the pot. It is even possible by conical design of the inner wall of the pot housing on the one hand and the lateral surface of the piezoelectric element on the other hand, the necessary adhesion between the piezoelectric element and housing, without the force is transmitted via an adhesive therebetween. Both embodiments allow the operation of the converter at high temperatures, wherein the operating temperature is limited by the Curie temperature of the piezoelectric element used.

Bei unverändert hoher Stabilität gegenüber chemischen Einflüssen können geschlossenzellige, poröse Hochleistungskeramiken mit einem Anteil an Hohlräumen von nicht mehr als 25 Volumenprozent als Material für das Topfgehäuse und insbesondere für den Topfboden eingesetzt werden. Durch poröse Keramiken kann der elektroakustische Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Wandlers gegenüber porenfreier Keramiken aufgrund der niedrigeren Schallkennimpedanz optimiert werden.at unchanged high stability towards chemical influences can closed-cell, porous High-performance ceramics with a proportion of cavities of not more than 25 Volume percent as material for the pot housing and in particular for the pot bottom can be used. By porous ceramics, the electro-acoustic Efficiency of a converter according to the invention across from pore-free ceramics due to the lower acoustic impedance be optimized.

Da erfindungsgemäß kein Kontakt zwischen Piezoelement und Topfboden besteht, können für die Membran verschiedene Membranformen gewählt werden. Besonders geeignet ist eine Reduktion in der Dicke des Topfbodens im Zentrum der Membran. Beispiele hierfür sind in 5, 6 und 7 dargestellt. Dabei erfolgen z. B. besondere Ausformungen an der Innenund/oder der Außenseite der Membran. In 5 ist die Innenseite der Membran mit einer konkaven Ausformung (13) versehen. In 6 ist eine weitere Ausführungsform (9) dargestellt. In 7 ist ein Beispiel für eine Reduktion der Membrandicke auf beiden Seiten der Membran (10) dargestellt. Die Topfbodendicke verringert sich zur Mitte hin auf nicht weniger als 1/3 des Wertes am Rand des Topfbodens. Für das grundlegende Funktionsprinzip des Ultraschallwandlers sind auch andere Formgebungen für die Membran denkbar.Since, according to the invention, there is no contact between the piezo element and the bottom of the pot, different membrane shapes can be selected for the membrane. Particularly suitable is a reduction in the thickness of the pot bottom in the center of the membrane. Examples of this are in 5 . 6 and 7 shown. This z. B. special formations on the inside and / or outside of the membrane. In 5 is the inside of the membrane with a concave shape ( 13 ) Mistake. In 6 is another embodiment ( 9 ). In 7 is an example of a reduction in membrane thickness on both sides of the membrane ( 10 ). The pot bottom thickness decreases towards the middle to not less than 1/3 of the value at the edge of the bottom of the pot. For the basic operating principle of the ultrasonic transducer and other shapes for the membrane are conceivable.

Wird ein Gehäuse aus Hochleistungskeramik oder einem anderen elektrisch nicht leitendem Material verwendet, kann es zur Abschirmung störender elektromagnetischer Einstrahlungen notwendig sein, eine oder beide Seiten des Topfgehäuses mit einer elektrisch leitenden Schicht zu versehen. Dafür haben sich lötfähige, galvanisch oder im Sputterverfahren aufgebrachte Metallisierungen bewährt.Becomes a housing made of high-performance ceramics or another electrically non-conductive material It can be used to shield interfering electromagnetic Radiations may be necessary, one or both sides of the pot housing with to provide an electrically conductive layer. Have for that solderable, galvanic or metallizations applied by sputtering.

In einer Ausführungsform „A" des erfindungsgemäßen Wandlers besteht das piezoelektrische Element aus einer Piezokeramik mit dem Durchmesser d und der Dicke d/5, die als Ring mit Innenbohrung d/2 oder als Scheibe mit zentraler Bohrung von 0,8 mm für die Durchführung einer Anschlusslitze ausgeführt sein kann. Die Dicke des Topfbodens beträgt d/7, die Wandstärke des Topfgehäuses d/5. Der Topf selbst ist aus Aluminiumoxidkeramik höchster Reinheit und Dichte gefertigt.In an embodiment "A" of the converter according to the invention the piezoelectric element consists of a piezoceramic the diameter d and the thickness d / 5, the ring with inner bore d / 2 or as a disc with a central bore of 0.8 mm for carrying a Pigtail executed can be. The thickness of the pot base is d / 7, the wall thickness of the pot housing d /. 5 The pot itself is made of aluminum oxide ceramics of the highest purity and density.

Die Höhe des Topfes und die Ausgestaltung des Topfrandes hängen wesentlich von der Art und Weise ab, in der das Wandlerelement eingebaut werden soll.The Height of Pot and the design of the pot edge depend essentially on the type and way in which the transducer element is to be installed.

Im einfachsten Fall ist zur Befestigung des Topfgehäuses am Topfrand ein Kragen (5) angebracht (3). An diesem Kragen kann das Gehäuse gefasst werden, ohne die Schwingung des Topfbodens wesentlich zu beeinträchtigen.In the simplest case, a collar (to fasten the pot housing at the pot edge) 5 ) appropriate ( 3 ). At this collar, the housing can be taken without significantly affecting the vibration of the pot bottom.

Für die beispielhafte Ausführung „A" beträgt der Kragendurchmesser 2d und die Kragenhöhe 0,3d bei einer Gesamthöhe des Topfgehäuses von 0,8d. Wird als piezoelektrisches Element eine Piezokeramik vom Typ PZT 5A mit einem Durchmesser d = 10 mm verwendet, so liegt die Betriebsfrequenz der Ausführung „A" bei etwa 185 kHz.For the exemplary Version "A" is the collar diameter 2d and the collar height 0.3d at a total height of the pot housing from 0.8d. Is a piezoelectric element of a piezoceramic from Type PZT 5A with a diameter d = 10 mm used, so is the Operating frequency of version "A" at about 185 kHz.

Durch Ändern der Dimensionierung können Frequenzänderungen erzielt werden. Größere Abmessungen bedeuten tiefere Frequenzen, kleinere Abmessungen bewirken höhere Frequenzen. Die Erfindung ist somit nicht auf die Dimensionen der Ausführung „A" beschränkt, sondern kann über einen weiten Frequenzbereich genutzt werden. Es sind erfindungsgemäß auch andere Querschnitte des Topfgehäuses möglich.By changing the Sizing can change the frequency be achieved. Bigger dimensions mean lower frequencies, smaller dimensions cause higher frequencies. The invention is thus not limited to the dimensions of the embodiment "A", but can over be used over a wide frequency range. There are other according to the invention Cross sections of the pot housing possible.

Die in vielen Fällen erforderliche Abdichtung des Topfgehäuses gegenüber dem Übertragungsmedium kann z. B. mit O-Ringen erfolgen. Zur besseren Positionierung der O-Ringe können im Kragen Nuten vorgesehen sein. Die Medienbeständigkeit der verwendeten O-Ringe bestimmt in diesem Fall den Einsatzbereich. In der Technik werden bei besonderen Anforderungen Dichtscheiben aus Aluminiumoxid verwendet. Eine weitere Möglichkeit zur Abdichtung bietet daher eine plane Fläche an der Kragenunterseite, die gegen eine entsprechende ausgebildete Gegenfläche abdichtet.The in many cases required sealing of the pot housing relative to the transmission medium can, for. B. done with O-rings. For better positioning of the O-rings in the Collar grooves may be provided. The media resistance of the O-rings used determines the area of application in this case. In the art For special requirements, aluminum washers are used. One more way for sealing therefore provides a flat surface on the collar underside, which seals against a corresponding formed counter surface.

Aufgrund des großen Unterschiedes der Schallkennimpedanz zwischen steifen Topfmaterialien (z. B. ZAluminiumoxid = 40·106 kg/(m2s)) und Gasen (z. B. ZLuft = 0,4·106 kg/(m2s)) kann es in kritischen Fällen notwendig sein, eine akustische Impedanzanpassung dergestalt vorzunehmen, dass die dem Übertragungsmedium zugewandte Seite des Topfbodens mit einem Material beschichtet ist, das eine akustische Impedanz ZAnpass von etwa 4·106 kg/(m2s) besitzt. Die optimale Dicke für eine solche Beschichtung ist dann gegeben, wenn die vom Topfboden ausgehende Schallwelle in der zusätzlichen Schicht einen Weg zurücklegt, der genau ¼ der Wellenlänge in diesem Material entspricht (λ/4-Anpassung). Geeignete Materialien hinsichtlich einer gewünschten Stabilität gegenüber chemischen Umgebungseinflüssen sind z. B. PTFE (Z = 2,97·106 kg/(m2s); c = 1390 m/s) oder PVDF (Z = 4,2·106 kg/(m2s); c = 2350 m/s). Bei einer Frequenz von 185 kHz liegt die erforderliche λ/4-Schichtdicke für PTFE bei 1,88 mm und für PVDF bei 3,18 mm.Due to the large difference in the acoustic characteristic impedance between rigid pot materials (eg Z alumina = 40 × 10 6 kg / (m 2 s)) and gases (eg Z air = 0.4 × 10 6 kg / (m 2 s)), it may be necessary to make an acoustic impedance matching in such a way, in critical cases, that the side facing the transfer medium side of the pot bottom is coated with a material having an acoustic impedance Z fitting of about 4 x 10 6 kg / (m 2 s) has. The optimum thickness for such a coating is given when the sound wave emanating from the bottom of the pot in the additional layer travels a path which corresponds exactly to ¼ of the wavelength in this material (λ / 4 adaptation). Suitable materials with regard to a desired stability to chemical environmental influences are, for. PTFE (Z = 2.97 x 10 6 kg / (m 2 s), c = 1390 m / s) or PVDF (Z = 4.2 x 10 6 kg / (m 2 s); c = 2350 m / s). At a frequency of 185 kHz, the required λ / 4 layer thickness for PTFE is 1.88 mm and for PVDF 3.18 mm.

Selbstverständlich kann die gesamte Außenseite des Topfgehäuses in dieser oder einer anderen Schichtdicke mit dem Beschichtungsmaterial versehen sein. Unter Umständen kann diese Beschichtung zugleich als Dichtungsmaterial dienen und die Verwendung von O-Ringen zur Abdichtung gegenüber dem Übertragungsmedium in bestimmten Anwendungsfällen erübrigen.Of course you can the entire outside of the pot housing in this or another layer thickness with the coating material be provided. In certain circumstances This coating can also serve as a sealing material and the use of O-rings for sealing against the transmission medium in certain applications unnecessary.

Werden erfindungsgemäße Wandler aus einem Material mit einer hohen Schwingungsgüte von z. B. Q = 100 aufgebaut, sind lange Ein- und Ausschwingzeiten die Folge. Dadurch wird die sogenannte Blindzone, innerhalb der das Ausschwingen des Ultraschallwandlers eintreffende Echos überdeckt und keine Signalauswertung möglich ist, unzweckmäßig vergrößert und die zeitliche und räumliche Auflösung des Ultraschallsignals verschlechtert. In diesen Fällen ist es nötig, die Schwingungsgüte des Wandlers durch das Einbringen einer Dämpfungsmasse in den Topfinnenraum des Gehäuses zu verringern. Für die Dämpfungsmasse geeignet ist ein Material mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und einem guten Dämpfungsverhalten für Ultraschall über einen möglichst großen Temperaturbereich. Diese Anforderungen werden besonders gut durch Polyurethanharze erfüllt, die zur weiteren Verbesserung der Dämpfungseigenschaften mit einem feinkörnigen bis pulvrigen Füllstoff hoher Dichte gefüllt sind und im Temperaturbereich von –40°C bis etwa 120°C einsetzbar sind. Zur Unterdrückung von stehenden Wellen im Innenraum des Topfgehäuses ist es üblich, das Gießharz bis zu einem gewissen Grad aufzuschäumen oder Hohlkörper wie Plastik- oder Glashohlkugeln mit einem Durchmesser < 150 μm unterzumischen.Become inventive converter made of a material with a high vibration quality of z. B. Q = 100, Long in and out times are the result. This will be the so-called blind zone, within the swinging of the ultrasonic transducer incoming echoes are covered and no signal evaluation possible is unfavorably enlarged and the temporal and spatial resolution of the ultrasonic signal deteriorates. In these cases is it necessary the vibration quality of the Transducer by introducing a damping mass in the pot interior of the housing to reduce. For the damping mass suitable is a material with a high temperature resistance and a good damping behavior for ultrasound over one preferably huge Temperature range. These requirements are particularly good due to polyurethane resins Fulfills, to further improve the damping properties with a fine-grained to powdery filler filled high density and can be used in the temperature range from -40 ° C to about 120 ° C are. For suppression standing waves in the interior of the pot housing, it is common, the Cast resin to foam up to a certain extent or hollow body like Submerge plastic or glass bubbles with a diameter <150 microns.

Eine zusätzliche Möglichkeit zur Bedämpfung stellt eine gegenphasige Rückkopplung oder die elektrische Bedämpfung der Piezokeramik dar. Dies ist besonders gut möglich, da ein erfindungsgemäßer Wandler eine isolierte Resonanz hat, die über einen großen Temperaturbereich stabil und frei von Störmoden ist.A additional possibility for damping provides an antiphase feedback or the electrical damping This is particularly well possible since a transducer according to the invention has an isolated resonance, over a wide temperature range stable and free from spurious modes is.

Das der Erfindung zugrunde liegende Funktionsprinzip ist nicht auf die bisher ausführlich beschriebene Ausführung „A" beschränkt, bei der ein topfförmiges Gehäuse mit einem Kragen versehen ist und mittels O-Ringen in das eigentliche Sensorgehäuse oder die Messstelle dicht eingebaut wird.The The principle underlying the invention is not on the so far in detail described execution "A" limited at the cup-shaped casing provided with a collar and by means of O-rings in the actual sensor housing or the measuring point is tightly installed.

Es ist erfindungsgemäß möglich, an Stelle des Kragens oder am Kragen selbst ein Gewinde anzubringen. Das Funktionsprinzip kann auch auf ein beliebig geformtes, bevorzugt jedoch rohrförmiges oder kubisches Gehäuse angewendet werden, das sich an das der Erfindung zugrunde liegende topfförmige Gehäuseteil anschließt und beispielsweise zur Aufnahme der Ansteuer- und Auswerteelektronik dient. Zur Vermeidung von Klebeverbindungen oder Dichtungen besteht das gesamte Gehäuse aus dem Material des topfförmigen, eigentlichen Schallwandlers. In 8 ist beispielhaft der Querschnitt einer möglichen Ausführung gezeigt, bei der sich an den eigentlichen Wandlertopf ein Außengewinde (11) mit Sechskant (12) anschließt, an den dann ein zylindrisches Gehäuseteil (13) zur Aufnahme der Elektronik (14) anschließt. Nach hinten wird dieses Gehäuse je nach den Anforderungen mit bekannten technischen Verfahren durch Verschraubungen für Anschlusskabel, dicht angebrachte Stecker oder wie in 8 angedeutet, durch gasdichte Durchführungen (15), abgeschlossen.It is inventively possible to attach a thread instead of the collar or on the collar itself. The principle of operation can also be applied to an arbitrarily shaped, but preferably tubular or cubic housing, which adjoins the pot-shaped housing part on which the invention is based and which serves, for example, for receiving the control and evaluation electronics. To avoid adhesive joints or seals, the entire housing consists of the material of the cup-shaped, actual sound transducer. In 8th the cross section of a possible embodiment is shown by way of example, in which an external thread ( 11 ) with hexagon ( 12 ), to which then a cylindrical housing part ( 13 ) for receiving the electronics ( 14 ). To the rear, this housing is, depending on the requirements with known technical procedures by screwing for connection cables, tightly mounted plugs or as in 8th indicated by gas-tight bushings ( 15 ), completed.

Erfindungsgemäß kann auch ein Array aus den neuartigen Ultraschallwandlern gebildet werden (9), indem z. B. in eine Platte (16) von oben Bohrungen (17) und von unten Ringnuten (18) oder freie Bereiche (19) eingebracht sind, wodurch sich topfförmige Ultraschallwandler als Einzelelemente des Ultraschall-Wandlerarrays ergeben. Die Einzelelemente können dabei beliebig angeordnet werden.According to the invention, an array can also be formed from the novel ultrasound transducers ( 9 ), by z. B. in a plate ( 16 ) from above holes ( 17 ) and from below annular grooves ( 18 ) or free areas ( 19 ), resulting in cup-shaped ultrasonic transducers as individual elements of the ultrasonic transducer array. The individual elements can be arranged arbitrarily.

Claims (15)

Ultraschallwandler mit einem zylindrischen, prismatischen oder pyramidenstumpfförmigen, piezoelektrischen Wandlerelement insbesondere einer Piezokeramik und einem topfförmigen Gehäuse mit einer passenden Innenkontur, bei dem der Topfboden als schallabstrahlende Membran wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement form- und kraftschlüssig radial an die Topfwand ankoppelt, ohne den Topfboden zu berühren.Ultrasonic transducer with a cylindrical, prismatic or truncated pyramid, piezoelectric transducer element in particular a piezoceramic and a cup-shaped housing with a matching inner contour, in which the pot bottom acts as a sound-emitting membrane, characterized in that the piezoelectric transducer element positively and non-positively couples radially to the pot wall, without to touch the bottom of the pot. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einhaltung eines definierten Abstandes der Piezokeramik zum Topfboden ein Absatz vorgesehen ist, auf dem das piezoelektrische Wandlerelement aufliegt.Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized that for maintaining a defined distance of the piezoceramic to the bottom of the pot a paragraph is provided on which the piezoelectric transducer element rests. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement scheibenförmig ist.Ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the piezoelectric transducer element is disk-shaped. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement mit einem Loch versehen ist.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that the piezoelectric transducer element is provided with a hole. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul > 100 GPa, bevorzugt aus Aluminiumoxid besteht.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that the housing made of a material with a modulus of elasticity> 100 GPa, preferred made of aluminum oxide. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gehäuses aus einem geschlossenzelligen, porösen Werkstoff besteht.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, characterized that the material of the housing consists of a closed-cell, porous material. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Topfbodens zum Zentrum hin abnimmt, wobei die Dicke im Zentrum mindestens 30 % der Dicke am Rand der Membran beträgt.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that the thickness of the pot bottom to the center decreases, the thickness in the center at least 30% of the thickness at the edge of the membrane. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Membran entgegengesetzten Teil des Gehäuses ein Kragen angebracht ist.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that opposite to the membrane Part of the housing a collar is attached. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Membran entgegengesetzten Teil des Gehäuses ein Gewinde angebracht ist. Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that opposite to the membrane Part of the housing a thread is attached. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nuten zur Aufnahme von O-Ringen an dem der Membran entgegengesetzten Teil des Gehäuses angebracht sind.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that grooves for receiving O-rings on the membrane opposite part of the housing are mounted. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit O-Ringen gegenüber dem Übertragungsmedium abgedichtet wird.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that the housing with O-rings relative to the transmission medium is sealed. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein passgenauer Einbau des piezoelektrischen Wandlerelements durch eine konische Ausformung der Wand und des piezoelektrischen Wandlerelements erfolgt.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that an accurate fitting of the piezoelectric transducer element by a conical shape of the wall and the piezoelectric Transducer element takes place. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses eine Dämpfungsmasse eingebracht wird, um die Schwingungsgüte gezielt zu vermindern.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that a damping mass is introduced inside the housing, about the vibration quality specifically to reduce. Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran des Gehäuses eine zusätzliche Anpassschicht aufgebracht wird.Ultrasonic transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that on the membrane of the housing a additional Matching layer is applied. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sowie 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ultraschallwandler nach diesem Prinzip in einem Array zusammengefasst und das Material des Arrays identisch mit dem Material des Gehäuses ist.Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 7 and 11 to 14, characterized in that a plurality of ultrasonic transducers grouped together according to this principle in an array and the material of the array is identical to the material of the housing.
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