DE202020103433U1

DE202020103433U1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE202020103433U1
Application number: DE202020103433.2U
Authority: DE
Original assignee: Unictron Technologies Corp
Current assignee: Unictron Technologies Corp
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN112393753A; TWM585905U; US20210046507A1; US11433427B2

Abstract

Ultraschallwandler (100), aufweisend:
ein piezokeramisches Element (102) mit einer ersten Oberfläche (102a), einer zweiten Oberfläche (102b), die der ersten Oberfläche (102a) an dem piezokeramischen Element (102) gegenüber liegt, und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die erste Oberfläche (102a) und die zweite Oberfläche (102b) verbindet;
eine erste Akustik-Anpassschicht (104), die eine Basis (104a) und eine Seitenwand (104b), die sich von einer Kante der Basis (104a) erstreckt, aufweist, wobei die Basis (104a) mit einer dritten Oberfläche (104c) und einer vierten Oberfläche (104d), die der dritten Oberfläche (104c) an der Basis (104a) gegenüber liegt, versehen ist, und die dritte Oberfläche (104c) mit der zweiten Oberfläche (102b) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist, und eine innere Oberfläche der Seitenwand (104b) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) mit der seitlichen Oberfläche (102c) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist, und wobei eine Dicke der Basis (104a) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) kleiner ist als 1/4 einer Wellenlänge einer Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers (100) von dem piezokeramischen Element (102) in die erste Akustik-Anpassschicht (104) emittiert wird, und eine Höhe der Seitenwand (104b) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) größer ist als 1/20 einer Höhe der seitlichen Oberfläche (102c) des piezokeramischen Elements (102); und
eine zweite Akustik-Anpassschicht (106) mit einer fünften Oberfläche (106a) und einer sechsten Oberfläche (106b), die der fünften Oberfläche (106a) an der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) gegenüber liegt, wobei die fünfte Oberfläche (106a) mit der vierten Oberfläche (104d) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) verbunden ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Ultraschallwandler und genauer auf einen Ultraschallwandler mit zwei Akustik-Anpassschichten.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein Ultraschallwandler kann bei einer Nahbereichsobjekterfassung verwendet werden. Durch eine Berechnung der Zeitdifferenz zwischen ausgesendeten Wellen und von Objekten reflektierten Wellen kann der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem erfassten Objekt erhalten werden. Auf dem Gebiet der Ultraschallerfassung sind die Arten und Eigenschaften von zu erfassenden Objekten nicht unbedingt eingeschränkt. Festkörper, Flüssigkeiten oder Teilchen mit verschiedenen Oberflächenfarben, Transparenzen und Festigkeiten können alle durch Verwenden des Ultraschallwandlers erfasst werden. Deshalb wird der Ultraschallwandler heutzutage weit verbreitet auf den Gebieten von Parksensoren, Pegelsensoren, Mehrschichterfassung und Durchflussmessern verwendet.
Die Hauptkomponente eines Ultraschallwandlers ist ein piezokeramisches Element, zum Beispiel das aus Blei-Zirkonat-Titanat- (PZT-) Material bestehende keramische Element mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen, die mit leitfähigen Schichten beschichtet sind, um im Betrieb ein Hochfrequenzwechselstromsignal anzulegen, sodass das piezokeramische Element eine Hochfrequenzschwingung generiert. Diese Hochfrequenzschwingung ist eine Art von Wellenenergie. Sie kann in Form einer Ultraschallwelle, d.h. einer Ultraschallschwingung oder-oszillation, auftreten, wenn ihre Wellenlänge in den Ultraschallbereich fällt. Um jedoch die erzeugten Ultraschallwellen von den Piezokeramiken in die Luft zu übertragen, sollten die akustischen Impedanzen der Piezokeramiken und der Luft angepasst werden.
Die Formel zum Berechnen der akustischen Impedanz (Z) ist Z=p c (p=Materialdichte, c=Ultraschallgeschwindigkeit). Die akustische Impedanz von Piezokeramik ist etwa 30-35 MRayl (10⁶ kg/m²·S), während die akustische Impedanz von Luft etwa 430 Rayl (kg/m²·S) ist. Da es einen großen Abstand zwischen den akustischen Impedanzen von Piezokeramik und Luft gibt, kann die von der Piezokeramik erzeugte Ultraschallenergie nicht an die Luft übertragen werden. Deshalb wird die Akustik-Anpassschicht eine maßgebliche Komponente in Ultraschallwandlern. Die Akustik-Anpassschicht ist ausgelegt, zwischen der Piezokeramik und der Luft angeordnet zu sein, um die akustischen Impedanzen derselben anzupassen, sodass die Ultraschallwelle effektiv an die Luft übertragen werden kann. Der ideale Wert einer akustischen Impedanz für die Akustik-Anpassschicht, die in einem Luftschallwandler verwendet wird, ist √(35M-430) Rayl, d.h. etwa 0,12 MRayl. Es ist jedoch schwierig, ein haltbares Material mit einer akustischen Impedanz von weniger als 1 MRayl in der Natur zu finden. Deshalb ist ein allgemein verwendetes Material der Akustik-Anpassschicht in der Ultraschallwandlerindustrie ein Verbundmaterial mit gemischtem Polymerharz und hohlen Glasteilchen, um eine geringere akustische Impedanz zu erzielen und gleichzeitig eine bessere Witterungsbeständigkeit und Verlässlichkeit bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung ist in den nachfolgenden Absätzen bereitgestellt, um Lesern zu helfen, ein besseres Verständnis des Sachgebiets der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Die Zusammenfassung ist so dargestellt, dass sie nicht erschöpfend und/oder ausschließend für die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, und beabsichtigt nicht, alle grundlegenden oder essentiellen Elemente aufzuzählen oder den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Mit dem Zweck, nur bestimmte Konzepte bereitzustellen, die darin dargelegt sind, die durch Ausführungsformen in einer vereinfachten Form zu beschreiben sind, werden detaillierte Merkmale und Vorteile der Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung aus den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offenbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen neuartigen Ultraschallwandler mit Seitenwandeinrichtungen zur Verfügung zu stellen, die sich von einer Kante der Akustik-Anpassschicht erstrecken, um die Verbindung zwischen Komponenten zu verbessern, wodurch Ablösungen oder Beschädigungen zwischen dem piezokeramischen Element und der Akustik-Anpassschicht aufgrund einer Hochfrequenzschwingung verhindert werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler zur Verfügung zu stellen, der ein piezokeramisches Element mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche an dem piezokeramischen Element gegenüber liegt, und einer seitlichen Oberfläche, die die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche verbindet, eine erste Akustik-Anpassschicht mit einer Basis und einer Seitenwand, die sich von einer Kante der Basis erstreckt, wobei die Basis mit einer dritten Oberfläche und einer vierten Oberfläche, die der dritten Oberfläche an der Basis gegenüber liegt, versehen ist und die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, und eine innere Oberfläche der Seitenwand der ersten Akustik-Anpassschicht mit der seitlichen Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, und wobei eine Dicke der Basis der ersten Akustik-Anpassschicht kleiner ist als 1/4 der Wellenlänge einer Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz des Ultraschallwandler durch das piezokeramische Element in die erste Akustik-Anpassschicht emittiert wird, und eine Höhe der Seitenwand der ersten Akustik-Anpassschicht größer als 1/20 der Höhe der seitlichen Oberfläche des piezokeramischen Elements ist, und eine zweite Akustik-Anpassschicht mit einer fünften Oberfläche und einer sechsten Oberfläche, die der fünften Oberfläche an der zweiten Akustik-Anpassschicht gegenüber liegt, aufweist, wobei die fünfte Oberfläche mit der vierten Oberfläche der ersten Akustik-Anpassschicht verbunden ist.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler mit einem tonnenförmigen Träger zur Unterbringung von piezokeramischen Elementen und Akustik-Anpassschichten zur Verfügung zu stellen.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler mit einem röhrenförmigen Träger zur Unterbringung von piezokeramischen Elementen und Akustik-Anpassschichten zur Verfügung zu stellen.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler mit Dämpfungselementen zur Verfügung zu stellen, die piezokeramische Elemente umschließen, um einen Dämpfungseffekt bereitzustellen.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler zur Verfügung zu stellen, dessen zweite Akustik-Anpassschicht mit vorstehenden Kanten versehen ist, sodass sie mit der Seitenwand der ersten Akustik-Anpassschicht verbunden sind.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen Ultraschallwandler zur Verfügung zu stellen, dessen erste Akustik-Anpassschicht mit massiven Teilchen, organischen Fasern, anorganischen Fasern oder einem Gitter-Flächenelement versehen ist, um die Dicke der ersten Akustik-Anpassschicht zu kontrollieren.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden zweifelsfrei für diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Gebiet nach einem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, welche in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen dargestellt ist, offenbar.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen bereitzustellen, und sind Bestandteil und bilden einen Teil dieser Spezifikation. Die Zeichnungen stellen einige der Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, ihre Prinzipien zu erklären. In den Zeichnungen:

1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Es sollte beachtet werden, dass alle Figuren schematisch sind. Relative Dimensionen und Proportionen von Teilen der Zeichnungen sind der Klarheit und Einfachheit halber in den Zeichnungen in einer Größe überhöht oder reduziert. Die gleichen Bezugszeichen werden allgemein verwendet, um auf korrespondierende oder ähnliche Merkmale in modifizierten oder unterschiedlichen Ausführungsformen zu verweisen.
Detaillierte Beschreibung
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil hiervon bilden, und sie wird mit Hilfe von Darstellungen und spezifischen Ausführungsformen, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann, gezeigt. Diese Ausführungsformen werden ausreichenden detailliert beschrieben, um denjenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen. Dimensionen und Proportionen bestimmter Teile der Zeichnungen können der Klarheit und Einfachheit halber in den Zeichnungen in einer Größe überhöht oder reduziert gezeigt sein. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, und strukturelle, logische und elektrische Veränderungen können vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
Zuerst sei auf 1 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die eine Form des Ultraschallwandlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform weist der Ultraschallwandler 100 ein piezokeramisches Element 102 mit einer ersten Oberfläche 102a, einer zweiten Oberfläche 102b, die der ersten Oberfläche 102a an dem piezokeramischen Element 102 gegenüber liegt, und einer seitlichen Oberfläche 102c, die die erste Oberfläche 102a und die zweite Oberfläche 102b verbindet, auf. Das piezokeramische Element 102 kann ein festes piezokeramisches Material in einer Form eines Quadrats, eines Polygons oder eines Kreises, oder ein ringartiges piezokeramisches Material, oder ein mehrlagiges piezokeramisches Material oder ein piezokeramisches Material mit Vertiefungen aufweisen. Diese piezokeramischen Materialien können ein verbleites piezokeramisches Material wie Pb(ZrTi)O₃, PbTiO₃, oder ein bleifreies piezokeramisches Material wie BaTiO₃, (NaK)NbO₃ mit einer akustischen Impedanz von etwa 30-35 MRayl, die viel höher ist als die akustische Impedanz von Luft (etwa 430 Rayl) aufweisen, sodass eine Akustik-Anpassschicht benötigt wird, um die akustischen Impedanzen dieser zwei Medien anzupassen. Die leitfähige Schicht auf dem piezokeramischen Element 102 kann mit leitfähigen Drähten 108 verbunden sein, um ein externes Hochfrequenzwechselstromsignal elektrisch an das piezokeramische Element 102 anzuschließen und eine Hochfrequenzschwingung zu erzeugen, um Ultraschallwellen zu emittieren. Eine erste Akustik-Anpassschicht 104 ist mit einer Basis 104a und einer Seitenwand 104b, die sich von einer Kante der Basis 104a erstreckt, versehen. Die Basis 104a weist weiter eine dritte Oberfläche 104c und eine vierte Oberfläche 104d, die der dritten Oberfläche 104c an der Basis 104a gegenüber liegt, auf, wobei die dritte Oberfläche 104c auf der zweiten Oberfläche 102b des piezokeramischen Elements 102 befestigt ist und diese direkt berührt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte die Dicke der ersten Akustik-Anpassschicht 104 kleiner als 1/4 der Wellenlänge der Ultraschallwelle sein, die bei einer Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers 100 von dem piezokeramischen Element 102 in die erste Akustik-Anpassschicht 104 emittiert wird, um eine optimale Ultraschallübertragung zu erzielen.
Es ist zu beachten, dass in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die innere Oberfläche der Seitenwand 104b der ersten Akustik-Anpassschicht 104 mit der seitlichen Oberfläche 102c des piezokeramischen Elements 102 verbunden ist, wodurch die Verbindung zwischen der ersten Akustik-Anpassschicht 104 und dem piezokeramischen Element 102 verbessert wird und Ablösungen oder Beschädigungen zwischen dem piezokeramischen Element 102 und der ersten Akustik-Anpassschicht 104 aufgrund einer Hochfrequenzschwingung verhindert werden. Eine Höhe der Seitenwand 104b der ersten Akustik-Anpassschicht 104 ist größer als 1/20 der Höhe der seitlichen Oberfläche 102c des piezokeramischen Elements 102, um einen ausreichenden Verbindungseffekt bereitzustellen. Das Material der ersten Akustik-Anpassschicht 104 kann aus organischen Polymermaterialien oder Verbundmaterialien bestehen, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder massiven Teilchen bestehen. Das Material von organischen Polymermaterialien umfasst Epoxid, Vinylester-Harz, Acryl-Harz, Polyurethan oder UV-Harz. Die hohlen Teilchen oder massiven Teilchen können hohle Glasteilchen oder massive Glasteilchen sein, die als ein Füllmaterial gleichmäßig in den organischen Polymermaterialien zu verteilen sind, um eine Gesamtdichte der ersten Akustik-Anpassschicht 104 einzustellen. Die Dichte von hohlen Glasteilchen liegt zwischen 0,1 g/cm³ und 0,6 g/cm³. Da die akustische Impedanz proportional zu der Dichte eines Materials ist, wird eine geringere akustische Impedanz erhalten, je geringer die Dichte der ersten Akustik-Anpassschicht 104 ist, sodass eine bessere akustische Anpassung erzielt werden kann. Die erste Akustik-Anpassschicht 104 kann durch ein Hinzufügen der Glasteilchen mit einem unterschiedlichen Prozentsatz pro Volumen in die organischen Polymermaterialien, und Mischen, Entgasen und einer Nachbehandlung, wie z.B. Aushärten, mit unterschiedlichen Dichten moduliert werden.
Es sei erneut auf 1 verwiesen. Eine zweite Akustik-Anpassschicht 106 mit einer fünften Oberfläche 106a und einer sechsten Oberfläche 106b, die der fünften Oberfläche 106a an der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 gegenüber liegt, ist vorgesehen, wobei die fünfte Oberfläche 106a mit der vierten Oberfläche 104d der ersten Akustik-Anpassschicht verbunden ist. Die zweite Akustik-Anpassschicht 106 haftet durch die erste Akustik-Anpassschicht 104 fest auf dem piezokeramischen Element 102 an, wodurch eine zweilagige Akustik-Anpassschichtstruktur gebildet wird. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Akustik-Anpassschicht 106 aus organischen Polymermaterialien oder Verbundmaterialien bestehen, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder massiven Teilchen bestehen. Das Material von organischen Polymermaterialien umfasst Epoxid, Vinylester-Harz, UV-Harz, Polyurethan, Acryl-Harz oder Zyanat-Ester-Harz. Die hohlen Teilchen oder massiven Teilchen können hohle Glasteilchen oder massive Glasteilchen sein, die als ein Füllmaterial gleichmäßig in den organischen Polymermaterialien zu verteilen sind, um eine Gesamtdichte der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 einzustellen. Die Dichte der hohlen Glasteilchen liegt zwischen 0,1 g/cm³ und 0,6 g/cm³. Da die akustische Impedanz proportional zu der Dichte eines Materials ist, wird eine geringere akustische Impedanz erhalten, je geringer die Dichte der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 ist, sodass eine bessere akustische Anpassung erzielt werden kann. Die zweite Akustik-Anpassschicht 106 kann durch ein Hinzufügen der Glasteilchen mit einem unterschiedlichen Prozentsatz pro Volumen in die organischen Polymermaterialien, und Mischen, Entgasen und einer Nachbehandlung, wie z.B. Aushärten, mit unterschiedlichen Dichten moduliert werden.
Als Nächstes sei auf 2 verwiesen. Der Ultraschallwandler 100 der vorliegenden Erfindung kann in einem tonnenförmigen Träger 110 angeordnet sein. Der tonnenförmige Träger 110 besteht aus einer Trägerbasis 110a und einer Trägerseitenwand 110b, wobei der tonnenförmige Träger 110 mit einer siebten Oberfläche 110c und einer achten Oberfläche 110d, die der siebten Oberfläche 110c an der Trägerbasis 110a gegenüber liegt, versehen ist, und das piezokeramische Element 102, die erste Akustik-Anpassschicht 104 und die zweite Akustik-Anpassschicht 106 in dem tonnenförmigen Träger 110 angeordnet sind, und die sechste Oberfläche 106b der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 auf der siebten Oberfläche 110c der Trägerbasis 110a des tonnenförmigen Trägers 110 angebracht ist und sie direkt berührt. Diese Auslegung ist geeigneter für den Ultraschallwandler, der in einer externen rauen Umgebung zu verwenden ist, um die Akustik-Anpassschichten effektiv vor einer Beschädigung zu schützen. Das Material des tonnenförmigen Trägers 110 kann aus metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt werden: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder wird aus nicht-metallischen Materialien der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Als Nächstes sei auf 3 verwiesen. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Komponenten kann der Ultraschallwandler 100 der vorliegenden Erfindung weiter eine Dämpfungsstruktur aufweisen. Wie in 3 gezeigt, ist ein Dämpfungselement 112 in dem tonnenförmigen Träger 110 angeordnet. Das Dämpfungselement 112 ist in dem Raum zwischen dem tonnenförmigen Träger 110 und dem piezokeramischen Element 102 angeordnet und kapselt das piezokeramische Element 102 ein, sodass das Dämpfungselement 112 das piezokeramische Element 102 bei einer Hochfrequenzschwingung effektiv dämpfen und es in einen statischen Zustand bzw. Ruhezustand zurücksetzen kann. Diese Funktion erleichtert den Betrieb des Ultraschallwandlers. Das Dämpfungselement 112 kann auch die leitfähigen Drähte 108 fixieren.
Als Nächstes sei auf 4 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der Ausführungsform von 2-3 sind das piezokeramische Element und die Akustik-Anpassschichten auf dem tonnenförmigen Träger angeordnet. In der Ausführungsform der 4 sind das piezokeramische Element und die Akustik-Anpassschichten jedoch in einem röhrenförmigen Träger angeordnet. Wie in der Figur gezeigt, weist der Ultraschallwandler 100 einen röhrenförmigen Träger 114 mit einer inneren Oberfläche 114a, einer äußeren Oberfläche 114b, die der inneren Oberfläche 114a an dem röhrenförmigen Träger 114 gegenüber liegt, einer ersten Öffnung 114c und einer zweiten Öffnung 114d, die der ersten Öffnung 114c an dem röhrenförmigen Träger 114 gegenüber liegt, und ein Dämpfungselement 112, das das piezokeramische Element 102, die erste Akustik-Anpassschicht 104 und die zweite Akustik-Anpassschicht 106 einkapselt, auf, wobei die innere Oberfläche 114a des röhrenförmigen Trägers 114 das Dämpfungselement 112 umgibt und berührt, sodass das piezokeramische Element 102 und die Akustik-Anpassschichten 104/106 in dem röhrenförmigen Träger 114 fixiert sind, und die sechste Oberfläche 106b der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 an der ersten Öffnung 114c des röhrenförmigen Trägers 114 exponiert ist. Das Material des röhrenförmigen Trägers 114 kann aus metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt werden: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder wird aus nicht-metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK). Andere detaillierte Merkmale des Ultraschallwandlers der vorliegenden Ausführungsform sind identisch mit dem in 3 gezeigten Ultraschallwandler. Diese Merkmale werden hier nicht wiederholt.
Als Nächstes sei auf 5 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Ultraschallwandler in den Ausführungsformen von 5 und 4 sind im Wesentlichen die gleichen, wobei der einzige Unterschied darin liegt, dass die zweite Akustik-Anpassschicht 106 des Ultraschallwandlers 100 außerhalb des röhrenförmigen Trägers 114 angeordnet ist, und die Kante der fünften Oberfläche 106a der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 mit einem Ende des röhrenförmigen Trägers 114 an der ersten Öffnung 114c verbunden ist. Diese Auslegung ermöglicht, dass die zweite Akustik-Anpassschicht 106 und der röhrenförmige Träger 114 eine tonnenartige Trägerstruktur bilden. Danach kann ein Dämpfungsmaterial in die Röhre eingefüllt werden, um ein Dämpfungselement 112 zu bilden. Im Vergleich mit dem röhrenförmigen Träger in der Ausführungsform von 4 ist der Vorteil dieser Ausführungsform ein Vereinfachen der Fertigung, und die Form eines Produkts kann leicht individuell angepasst werden.
Als Nächstes sei auf 6 verwiesen. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann weiter ein Gitter-Flächenelement 116 mit kleinen Öffnungen in der ersten Akustik-Anpassschicht 104 angeordnet sein, um die Dicke der ersten Akustik-Anpassschicht 104 präzise zu kontrollieren und eine ausgezeichnete akustische Anpassung zu erhalten. In einer tatsächlichen Implementierung wird das Gitter-Flächenelement 116 zuerst auf einer vorbestimmten Oberfläche angebracht, welche mit der ersten Akustik-Anpassschicht 104 auszubilden ist, wie die zweite Oberfläche 102b des piezokeramischen Elements 102. Das Material der ersten Akustik-Anpassschicht 104 wird dann gleichmäßig auf dem Gitter-Flächenelement 116 und der zweiten Oberfläche 102b des piezokeramischen Elements 102 aufgebracht, sodass sich das Material und das Gitter-Flächenelement 116 verbinden, um die erste Akustik-Anpassschicht 104 zu bilden. Das Material des Gitter-Flächenelements wird aus metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt: Kupfer, Eisen, Nickel, Edelstahl, Aluminium oder Titan, oder wird aus nicht-metallischen Materialien der folgenden Gruppe ausgewählt: Polytetrafluorethylen (PTEE), Polyethylenterephthalat (PET), organische Faser, anorganische Faser, Nylon, Karbonfaser oder Glasfaser.
Aufgrund des Vorhandenseins des Gitter-Flächenelements, kann das Material der ersten Akustik-Anpassschicht 104, wenn in einem späteren Prozess die zweite Akustik-Anpassschicht 106 auf das Material der ersten Akustik-Anpassschicht 104 gepresst wird, als ein Haftmittel fungieren, um die zweite Akustik-Anpassschicht 106 eng an das piezokeramisch Element 102 zu binden. Das Gitter-Flächenelement 116 innerhalb der ersten Akustik-Anpassschicht 104 bietet eine mechanische Unterstützung, um die Dicke der gepressten ersten Akustik-Anpassschicht 104 gleich der Dicke des Gitter-Flächenelements 116 zu machen und eine präzise Kontrolle über die Dicke der Akustik-Anpassschicht zu erzielen. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient der ersten Akustik-Anpassschicht 104 viel größer sein kann als der thermische Ausdehnungskoeffizient des piezokeramischen Elements 102, auf welchem sie befestigt ist, kann das Gitter-Flächenelement 116 innerhalb der ersten Akustik-Anpassschicht 104 zusätzlich auch die Beanspruchung lindern, die durch die Anpassschichten erzeugt wird, um das Versagen einer Vorrichtungszuverlässigkeit zu verhindern.
Als Nächstes sei auf 7 verwiesen. Zusätzlich oder alternativ zu dem Gitter-Flächenelement 116 können in einer anderen Ausführungsform massive Teilchen 118, wie massive Glasteilchen, verwendet werden, um die Dicke der ersten Akustik-Anpassschicht 104 zu kontrollieren. Andere detaillierte Merkmale des Ultraschallwandlers in dieser vorliegenden Ausführungsform sind identisch zu dem in 6 gezeigten Ultraschallwandler. Diese Merkmale werden hier nicht wiederholt.
Als Nächstes sei auf 8 verwiesen, welche eine Querschnittsansicht ist, die noch eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der Ausführungsform kann die zweite Akustik-Anpassschicht 106 weiter mit einer Seitenwand 106c versehen sein, die sich von der Kante der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 erstreckt. Die Seitenwand 106c der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 umgibt und berührt die Seitenwand 104b der ersten Akustik-Anpassschicht 104, um die Verbindung zwischen der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 und der ersten Akustik-Anpassschicht 104 zu verbessern, wodurch Ablösungen oder Beschädigungen zwischen dem piezokeramischen Element 102, der zweiten Akustik-Anpassschicht 106 und der ersten Akustik-Anpassschicht 104 aufgrund einer Hochfrequenzschwingung verhindert werden.
Gemäß dem Ultraschallwandler, der durch die vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen ausgeführt wird, kann die Seitenwand, die sich von der Kante der Akustik-Anpassschicht erstreckt, die Verbindung zwischen Komponenten verbessern. Weiter kann die Auslegung einer zweilagigen Akustik-Anpassstruktur die Bandbreite des Ultraschallwandlers signifikant erhöhen. Folglich ist es eine Erfindung sowohl mit einer Neuheit als auch mit einer Anwendbarkeit.
Diejenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet werden leicht erkennen, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Vorrichtung und des Verfahrens vorgenommen werden können, während die Lehren der Erfindung beibehalten werden. Entsprechend sollte die vorstehende Offenbarung als nur durch den Umfang der angehängten Ansprüche beschränkt angesehen werden.
Zusammengefasst weist ein Ultraschallwandler 100 ein piezokeramisches Element 102, eine erste Akustik-Anpassschicht 104 mit einer sich erstreckenden Seitenwand 104b, die mit der seitlichen Oberfläche 102c des piezokeramischen Elements 102 verbunden ist, wobei die Dicke der ersten Akustik-Anpassschicht 104 kleiner ist als 1/4 einer Wellenlänge einer Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers 100 durch das piezokeramische Element 102 in die erste Akustik-Anpassschicht 104 emittiert wird, und die Höhe der Seitenwand 104b der ersten Akustik-Anpassschicht 104 größer ist als 1/20 einer Höhe der seitlichen Oberfläche 102c des piezokeramischen Elements 102, und eine zweite Akustik-Anpassschicht 106, die mit der ersten Akustik-Anpassschicht 104 verbunden ist, auf.
Bezugszeichenliste

100: Ultraschallwandler
102: piezokeramisches Element
102a: erste Oberfläche
102b: zweite Oberfläche
102c: seitliche Oberfläche
104: erste Akustik-Anpassschicht
104a: Basis
104b: Seitenwand
104c: dritte Oberfläche
104d: vierte Oberfläche
106: zweite Akustik-Anpassschicht
106a: fünfte Oberfläche
106b: sechste Oberfläche
106c: Seitenwand
108: leitfähiger Draht
110: tonnenförmiger Träger
110a: Trägerbasis
110b: Trägerseitenwand
110c: siebte Oberfläche
110d: achte Oberfläche
112: Dämpfungselement
114: röhrenförmiger Träger
114a: innere Oberfläche
114b: äußere Oberfläche
114c: erste Öffnung
114d: zweite Öffnung
116: Gitter-Flächenelement
118: Teilchen

Claims

Ultraschallwandler (100), aufweisend: ein piezokeramisches Element (102) mit einer ersten Oberfläche (102a), einer zweiten Oberfläche (102b), die der ersten Oberfläche (102a) an dem piezokeramischen Element (102) gegenüber liegt, und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die erste Oberfläche (102a) und die zweite Oberfläche (102b) verbindet; eine erste Akustik-Anpassschicht (104), die eine Basis (104a) und eine Seitenwand (104b), die sich von einer Kante der Basis (104a) erstreckt, aufweist, wobei die Basis (104a) mit einer dritten Oberfläche (104c) und einer vierten Oberfläche (104d), die der dritten Oberfläche (104c) an der Basis (104a) gegenüber liegt, versehen ist, und die dritte Oberfläche (104c) mit der zweiten Oberfläche (102b) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist, und eine innere Oberfläche der Seitenwand (104b) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) mit der seitlichen Oberfläche (102c) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist, und wobei eine Dicke der Basis (104a) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) kleiner ist als 1/4 einer Wellenlänge einer Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers (100) von dem piezokeramischen Element (102) in die erste Akustik-Anpassschicht (104) emittiert wird, und eine Höhe der Seitenwand (104b) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) größer ist als 1/20 einer Höhe der seitlichen Oberfläche (102c) des piezokeramischen Elements (102); und eine zweite Akustik-Anpassschicht (106) mit einer fünften Oberfläche (106a) und einer sechsten Oberfläche (106b), die der fünften Oberfläche (106a) an der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) gegenüber liegt, wobei die fünfte Oberfläche (106a) mit der vierten Oberfläche (104d) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) verbunden ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend einen tonnenförmigen Träger (110) mit einer Trägerbasis (110a) und einer Trägerseitenwand (110b), wobei der tonnenförmige Träger (110) mit einer siebten Oberfläche (110c) und einer achten Oberfläche (110d), die der siebten Oberfläche (110c) an der Trägerbasis (110a) gegenüber liegt, versehen ist, und das piezokeramische Element (102), die erste Akustik-Anpassschicht (104) und die zweite Akustik-Anpassschicht (106) in dem tonnenförmigen Träger (110) angeordnet sind, und die siebte Oberfläche (110c) der Trägerbasis (110a) des tonnenförmigen Trägers (110) mit der sechsten Oberfläche (106b) der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) verbunden ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 2, weiter aufweisend ein Dämpfungselement (112), das in dem tonnenförmigen Träger (110) angeordnet ist und das piezokeramische Element (102), die erste Akustik-Anpassschicht (104) und die zweite Akustik-Anpassschicht (106) einkapselt.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei ein Material des tonnenförmigen Trägers (110) aus metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder aus nicht-metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend einen röhrenförmigen Träger (114) mit einer inneren Oberfläche (114a), einer äußeren Oberfläche (114b), die der inneren Oberfläche (114a) an dem röhrenförmigen Träger (114) gegenüber liegt, eine erste Öffnung (114c) und eine zweite Öffnung (114d), die der ersten Öffnung (114c) an dem röhrenförmigen Träger (114) gegenüber liegt, und ein Dämpfungselement (112), das das piezokeramische Element (102), die erste Akustik-Anpassschicht (104) und die zweite Akustik-Anpassschicht (106) einkapselt, wobei die innere Oberfläche (114a) des röhrenförmigen Trägers (114) das Dämpfungselement (112) umgibt und berührt, und die sechste Oberfläche (106b) der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) an der ersten Öffnung (114c) des röhrenförmigen Trägers (114) exponiert ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 5, wobei eine Kante der fünften Oberfläche (106a) der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) mit einem Ende des röhrenförmigen Trägers (114) an der ersten Öffnung (114c) verbunden ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei ein Material des röhrenförmigen Trägers (114) aus metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder aus nicht-metallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon ausgewählt wird: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Akustik-Anpassschicht (106) mit einer Seitenwand (106c) versehen ist, die sich von einer Kante der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) erstreckt, und die Seitenwand (106c) der zweiten Akustik-Anpassschicht (106) mit der Seitenwand (104b) der ersten Akustik-Anpassschicht (104) verbunden ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Akustik-Anpassschicht (104) organische Polymermaterialien oder Verbundmaterialien, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder massiven Teilchen bestehen, aufweist, und ein Material der organischen Polymermaterialien Epoxid, Vinylester-Harz, Acryl-Harz, Polyurethan oder UV-Harz aufweist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 7, wobei die erste Akustik-Anpassschicht (104) weiter massive Teilchen, organische Faser, anorganische Faser oder ein Gitter-Flächenelement (116) aufweist, um eine Dicke der Basis der ersten Akustik-Anpassschicht (104) zu kontrollieren.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Akustik-Anpassschicht (106) organische Polymermaterialien oder Verbundmaterialien, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder massiven Teilchen bestehen, aufweist, und die organischen Polymermaterialien Epoxid, Vinylester-Harz, UV-Harz, Polyurethan, Acryl-Harz oder Zyanat-Ester-Harz aufweisen.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das piezokeramische Element (102) ein festes piezokeramisches Material in einer Form eines Quadrats, eines Polygons oder eines Kreises, oder ein ringartiges piezokeramisches Material, oder ein mehrlagiges piezokeramisches Material oder ein piezokeramisches Material mit Vertiefungen aufweist.