DE202023100693U1

DE202023100693U1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE202023100693U1
Application number: DE202023100693.0U
Authority: DE
Original assignee: Unictron Technologies Corp
Current assignee: Unictron Technologies Corp
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2023-03-27
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: TWM636221U; CN219676284U

Abstract

Ultraschallwandler (100), gekennzeichnet durch:
ein piezokeramisches Element (102) mit einer oberen Oberfläche (102a) und einer unteren Oberfläche (102b), die einander durch das piezokeramische Element (102) gegenüberliegen, und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die obere Oberfläche (102a) und die untere Oberfläche (102b) verbindet;
einen ersten leitfähigen Draht (106a), der mit der oberen Oberfläche (102a) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist;
einen zweiten leitfähigen Draht (106b), der mit der unteren Oberfläche (102b) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist;
eine akustische Anpassungsschicht (104), die mit der oberen Oberfläche (102a) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist;
ein Dämpfungselement (110), das das piezokeramische Element (102) umschließt; und
ein röhrenförmiges Gehäuse (108) mit einer oberen Öffnung (108a) und einer unteren Öffnung (108b) jeweils an zwei Enden und gegenüber voneinander, wobei das piezokeramische Element (102), die akustische Anpassungsschicht (104) und das Dämpfungselement (110) in das röhrenförmige Gehäuse (108) eingesetzt sind, und vorstehende Strukturen (108d), die sich nach innen erstrecken, an der oberen Öffnung (108a) vorgesehen sind, und die akustische Anpassungsschicht (104) mit den vorstehenden Strukturen (108d) verbunden ist und an der oberen Öffnung (108a) exponiert ist.

Description

Hintergrund
Das vorliegende Gebrauchsmuster bezieht sich allgemein auf einen Ultraschallwandler, und insbesondere auf einen Ultraschallwandler, der ein röhrenförmiges Gehäuse mit daran ausgebildeten vorstehenden Strukturen aufweist.
Ein aktueller Ultraschallwandler kann bei einer Objekterfassung im Nahbereich verwendet werden. Durch eine Berechnung der Laufzeit (ToF) zwischen dem Emittieren von Wellen und dem Empfangen von korrespondierenden 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 Objekte nicht ganz restriktiv. Festkörper, Flüssigkeiten oder Partikel mit verschiedenen Oberflächenfarben, Transparenzen und Härte können alle durch ein Verwenden des Ultraschallwandlers erfasst werden. Daher ist der Ultraschallwandler heutzutage in den Bereichen wie Parksensoren, Pegelsensoren, Mehrschichterkennung und Durchflussmessern weit verbreitet.
Die Hauptkomponente eines Ultraschallwandlers ist ein piezokeramisches Element, zum Beispiel das Keramikelement, das aus einem Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) -Material mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen hergestellt ist, die mit leitfähigen Schichten beschichtet sind, um im Betrieb ein hochfrequentes Wechselstromsignal anzulegen, sodass die Piezokeramiken eine hochfrequente Schwingung erzeugen. Diese hochfrequente Schwingung ist eine Art von Wellenenergie. Sie kann in Form einer Ultraschallwelle, d. h. einer Ultraschallschwingung, vorliegen, wenn ihre Wellenlänge in den Bereich von Ultraschall 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, um die akustische Impedanz (Z) zu berechnen, ist Z= ρ·c (ρ=Materialdichte, c=Ultraschallgeschwindigkeit). Die akustische Impedanz von Piezokeramiken ist etwa 30-35 MRayl (10⁶ kg/m²·S), während die akustische Impedanz von Luft etwa 430 Rayl (kg/m²·S) ist. Da eine große Lücke zwischen den akustischen Impedanzen von Piezokeramiken und Luft besteht, kann die von den Piezokeramiken erzeugte Ultraschallenergie nicht effizient an Luft übertragen werden. Deshalb wird die akustische Anpassungsschicht eine kritische Komponente in Ultraschallwandlern. Die akustische Anpassungsschicht ist so ausgelegt, dass sie zwischen den Piezokeramiken und der Luft angeordnet ist, um deren akustische Impedanzen anzupassen, sodass die Ultraschallwelle effektiv an die Luft übertragen werden kann. Der ideale Wert der akustischen Impedanz für die akustische Anpassungsschicht, die in einem Ultraschall-Luft-Wandler verwendet wird, ist √(35M·430) Rayl, d.h., etwa 0,12 MRayl. Es ist jedoch schwierig, ein haltbares Material mit einer akustischen Impedanz unter 1 MRayl in der Natur zu finden. Deshalb ist das allgemein verwendete Material der akustischen Anpassungsschicht in der Wandlerindustrie ein Verbundmaterial mit einem Gemisch aus Polymerharz und hohlen Glasteilchen, um eine niedrigere akustische Impedanz zu erzielen und gleichzeitig eine bessere Witterungsbeständigkeit und Zuverlässigkeit bereitzustellen.
In einem anderen Aspekt können gewöhnliche Piezokeramiken in verschiedenen Einstellungen unterschiedliche Resonanzmodi aufweisen, z. B. einen radialen Resonanzmodus, einen Längenresonanzmodus, einen Breitenresonanzmodus oder einen Dickenresonanzmodus. Die von Piezokeramiken in verschiedenen Resonanzmodi emittierte Ultraschallwelle hätte unterschiedliche Frequenzen und ein unterschiedliches Schallfeldprofil. Allgemein können geeignete Resonanzmodi gemäß verschiedenen Anwendungen entworfen werden, um die Anforderung unter unterschiedlichen Umständen zu erfüllen.
Die Hauptstruktur eines herkömmlichen Ultraschallwandlers kann die Komponenten wie ein piezokeramisches Element, eine akustische Anpassungsschicht, leitfähige Drähte, ein Dämpfungselement und ein Gehäuse aufweisen. Das piezokeramische Element wird elektrisch mit den leitfähigen Drähten verbunden und mit der akustischen Anpassungsschicht in Kontakt gebracht, und das Ganze wird in das Gehäuse eingesetzt. Das Gehäuse des Ultraschallwandlers wird allgemein verwendet, um das piezokeramische Element und die akustische Anpassungsschicht aufzunehmen und zu schützen, jedoch ohne die Funktion, sie zu fixieren. Das piezokeramische Element und die akustische Anpassungsschicht werden üblicherweise durch ein sie umgebendes Dämpfungselement an das Gehäuse geklebt und fixiert. Da das Dämpfungselement dennoch gewöhnlich eine kolloidale Substanz ist, die durch einen Gießprozess ausgebildet wird, kann es das piezokeramische Element oder die akustische Anpassungsschicht binden und deren Schwingungen ungleichmäßig machen, wenn sie mit dem Dämpfungselement verbunden sind.
Die Offenbarung des vorstehenden technischen Hintergrunds dient nur dem Verständnis des Konzepts und der technischen Lösung der vorliegenden Anmeldung und gehört nicht notwendigerweise zum Stand der Technik, der für die vorliegende Anmeldung relevant ist. Der vorstehende technische Hintergrund soll nicht verwendet werden, um die Neuheit und erfinderische Tätigkeit der vorliegenden Anmeldung zu evaluieren, ohne dass ausdrücklich nachgewiesen wird, dass der vorstehende Inhalt vor dem Anmeldedatum der vorliegenden Anmeldung offenbart worden ist.
Zusammenfassung
Angesichts der vorstehend genannten aktuellen Situation herkömmlicher Fertigkeiten stellt das vorliegende Gebrauchsmuster hiermit einen neuartigen Ultraschallwandler zur Verfügung, der die vorstehenden Strukturen aufweist, die sich an der Gehäuseöffnung des Ultraschallwandlers nach innen erstrecken und mit einem Dämpfungselement zusammenarbeiten können, um das piezokeramische Element und die akustische Anpassungsschicht im Gehäuse zu fixieren, um eine gleichmäßige Emissionsintensität (ähnlich zu einer ebenen Welle) zu erzielen und zu verhindern, dass der Gießverbundstoff des Dämpfungselements die akustische Anpassungsschicht und das Gehäuse bindet.
Eine Aufgabe des vorliegenden Gebrauchsmusters ist, einen Ultraschallwandler zur Verfügung zu stellen, der ein piezokeramisches Element mit einer oberen Oberfläche und einer dieser durch das piezokeramische Element gegenüberliegenden unteren Oberfläche und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche und die untere Oberfläche verbindet, einen ersten leitfähigen Draht, der mit der oberen Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, einen zweiten leitfähigen Draht, der mit der unteren Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, eine akustisch Anpassungsschicht, die mit der oberen Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, ein Dämpfungselement, das das piezokeramische Element umschließt, und ein röhrenförmiges Gehäuse mit einer oberen Öffnung und einer unteren Öffnung jeweils an zwei Enden und gegenüber voneinander, aufweist, wobei das piezokeramische Element, die akustische Anpassungsschicht und das Dämpfungselement in das röhrenförmige Gehäuse eingesetzt sind, und vorstehende Strukturen, die sich nach innen erstrecken, an der oberen Öffnung vorgesehen sind, und die akustische Anpassungsschicht mit den vorstehenden Strukturen verbunden ist und an der oberen Öffnung exponiert ist.
Diese und andere Aufgaben des vorliegenden Gebrauchsmusters werden ohne Zweifel für diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Gebiet nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, welche in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen dargestellt ist, offenbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Form des Ultraschallwandlers gemäß der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt;
2 ist eine schematische Draufsicht, die eine Form eines Gehäuses des Ultraschallwandlers gemäß der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt;
3 ist eine schematische Draufsicht, die eine andere Form eines Gehäuses des Ultraschallwandlers gemäß der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt;
4 ist eine schematische Draufsicht, die noch eine andere Form eines Gehäuses des Ultraschallwandlers gemäß der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt;
5 ist ein Graph einer Impedanz (Ω) gegenüber einer Frequenz (kHz) in verschiedenen Resonanzmodi eines piezokeramischen Elements gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters;
6 sind Graphen, die eine Längsrichtung eines piezokeramischen Elements und die Relation der Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers gegenüber der Längsrichtung des piezokeramischen Elements darstellen; und
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt.

Detaillierte Beschreibung
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des vorliegenden Gebrauchsmusters wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil davon bilden, und es wird mittels Darstellung und spezifischen Ausführungsformen gezeigt, auf welche Weise das Gebrauchsmuster ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen sind hinreichend detailliert beschrieben, um denjenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet zu ermöglichen, das Gebrauchsmuster auszuführen. Abmessungen und Proportionen bestimmter Teile der Zeichnungen können aus Gründen einer Klarheit und Einfachheit in den Zeichnungen übertrieben oder verkleinert dargestellt worden sein. Andere Ausführungsformen können verwendet werden und strukturelle, logische und elektrische Veränderungen können vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang des vorliegenden Gebrauchsmusters abzuweichen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang des vorliegenden Gebrauchsmusters wird stattdessen durch die angehängten Ansprüche definiert.
Zuerst sei auf 1 verwiesen, welche eine schematische Querschnittsansicht ist, die eine Form des Ultraschallwandlers 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt. In dieser Ausführungsform weist der Ultraschallwandler 100 ein piezokeramisches Element 102 mit einer oberen Oberfläche 102a und einer unteren Oberfläche 102b, die einander über das piezokeramische Element 102 gegenüberliegen, und einer seitlichen Oberfläche 102c, die die obere Oberfläche 102a und die untere Oberfläche 102b verbindet, auf. Das piezokeramischiezokeramische Element 102 kann ein festes piezokeramischiezokeramisches Material in der Form eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Polygons, eines Kreises oder eines Rings, oder das aus mehrschichtiger Keramikverarbeitung bestehende piezokeramischiezokeramische Material oder ein piezokeramischiezokeramisches Material mit Vertiefungen aufweisen. Diese piezokeramischen Materialien können ein bleihaltiges 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 aufweisen, viel größer als die akustische Impedanz von Luft (etwa 430 Rayl), sodass eine akustische Anpassungsschicht erforderlich ist, um die akustischen Impedanzen dieser beiden Medien anzupassen. Leitfähige Schichten können auf der oberen Oberfläche 102a und der unteren Oberfläche 102b des piezokeramischen Elements 102 vorgesehen sein, um jeweils mit leitfähigen Drähten 106a, 106b verbunden zu werden, um ein externes hochfrequentes Wechselstromsignal elektrisch mit dem piezokeramischen Element 102 zu verbinden und hochfrequente Schwingungen zum Emittieren von Ultraschallwellen zu erzeugen.
In der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters ist eine akustische Anpassungsschicht 104 auf der oberen Oberfläche 102a des piezokeramischen Elements 102 angeordnet und ist in direktem Kontakt damit. Allgemein ist die Dicke der akustischen Anpassungsschicht 104 in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche 102a des piezokeramischen Elements 102 ungefähr gleich 1/4 der Wellenlänge der Ultraschallwelle, die bei einer Betriebsfrequenz von dem piezokeramischen Element 102 in die akustische Anpassungsschicht 104 emittiert wird, sodass eine optimale Ultraschallübertragung erzielt wird. Die akustische Anpassungsschicht 104 kann Verbundmaterialien aufweisen, die aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder festen Teilchen bestehen. Das organische Polymermaterial umfasst Epoxid, Vinylesterharz, Acrylharz, Cyanatesterharz, Polyurethan oder UV-Harz. Die hohlen Teilchen oder festen Teilchen können hohle Glasteilchen oder feste Glasteilchen als ein Füllstoff sein, der gleichmäßig in den organischen Polymermaterialien zu verteilen ist, um eine Gesamtdichte der akustischen Anpassungsschicht 104 einzustellen. Die Dichte der hohlen Glasteilchen liegt zwischen 0,1 g/cm³ und 0,6 g/cm³. Je niedriger die Dichte der akustischen Anpassungsschicht 104 ist, desto geringer wird die akustische Impedanz erhalten, da die akustische Impedanz proportional zu der Dichte eines Materials ist, sodass ein besserer akustischer Anpassungseffekt im Betrieb erzielt werden kann. Die akustische Anpassungsschicht 104 kann durch ein Hinzufügen der Glasteilchen mit unterschiedlichem Volumenprozentsatz in die organischen Polymermaterialien und Misch-, Entgasungs- und Aushärtungsbehandlungen mit unterschiedlichen Dichten und Dicken moduliert werden.
Es sei weiterhin auf 1 verwiesen. In dieser Ausführungsform können Komponenten, wie das piezokeramische Element 102 und die akustische Anpassungsschicht 104 des Ultraschallwandlers 100 in einem röhrenförmigen Gehäuse 108 angeordnet sein. Das röhrenförmige Gehäuse 108 ist mit einer oberen Öffnung 108a und einer unteren Öffnung 108b versehen, die einander gegenüberliegen, wobei die obere Öffnung 108a mit vorstehenden, sich davon nach innen erstreckenden Strukturen 108d versehen ist, welche sich horizontal oder radial in das röhrenförmige Gehäuse 108 erstrecken können, und die in dem röhrenförmigen Gehäuse 108 eingesetzte akustische Anpassungsschicht 104 ist mit den vorstehenden Strukturen 108d verbunden und an der oberen Öffnung 108a exponiert, während die leitfähigen Drähte 106a, 106b, die das piezokeramische Element 102 verbinden, sich durch die untere Öffnung 108b aus dem Gehäuse heraus erstrecken können. In der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters umgibt die innere Oberfläche 108c des röhrenförmigen Gehäuses 108 das piezokeramische Element 102 und die akustische Anpassungsschicht 104, und eine Lücke ist zwischen diesen Teilen ausgebildet. Der Ultraschallwandler 100 kann weiter ein Dämpfungselement 110 aufweisen, das das piezokeramische Element 102 einschließlich der Teile seiner unteren Oberfläche 102b und seitlichen Oberfläche 102c umschließt. Das Dämpfungselement 110 kann auch die seitliche Oberfläche der akustischen Anpassungsschicht 104 umschließen und den Raum zwischen dem piezokeramischen Element 102 und dem röhrenförmigen Gehäuse 108 ausfüllen, um das piezokeramische Element 102 und das röhrenförmige Gehäuse 108 zu verbinden und zu fixieren. In der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters kann das Dämpfungselement 110 durch ein Gießverfahren ausgebildet werden. Das Material des Dämpfungselements 110 kann ein Faserelastomer sein, das insbesondere Silikon, Kautschuk, Gummi, Ethylenvinylacetat (EVA), Styrol-Elastomer, Polyest-Erelastomer, Olefin-Elastomer, thermoplastisches Vulkanisat (TPV), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Epoxid, Holz, Kork, Holz-Kork-Filament, Polyester-Stapel, Wollfilz, Glasfaser oder Schaumstoff aufweist. Durch die vorstehend in der Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters genannte Konfiguration fixieren die vorstehenden Strukturen 108d des röhrenförmigen Gehäuses 108 und das Dämpfungselement 110 gemeinsam das piezokeramische Element 102 und die akustische Anpassungsschicht 104 in dem röhrenförmigen Gehäuse 108. Das piezokeramische Element 102 oder die akustische Anpassungsschicht 104 in dieser Auslegung ist nicht nur durch das Dämpfungselement gebunden und eingeschränkt, wie diejenigen in der herkömmlichen Technik, sodass die Schwingung des piezokeramischen Elements oder der akustischen Anpassungsschicht in jede Richtung gleichmäßiger sein kann. Weiterhin kann diese Auslegung verhindern, dass die akustische Anpassungsschicht an das Gehäuse gebunden wird, wenn das Dämpfungselement durch den Gießvorgang ausgebildet wird. Auf diese Weise kann das Dämpfungselement 110 noch wirksam puffern, um das Überschwingen des Ultraschallwandlers bei hochfrequenten Schwingungen während des Betriebs des piezokeramischen Elements 102 zu verringern. in einer anderen Ausführungsform können auch zwei Dämpfungselemente mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten oder Härten vorgesehen sein, um eine bessere Dämpfungswirkung zu erzielen.
Es sei zusammen auf 2-4 verwiesen, welche schematische Draufsichten sind, die verschiedene Formen eines Gehäuses des Ultraschallwandlers gemäß den Ausführungsformen des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellen. Der horizontale Querschnitt des röhrenförmigen Gehäuses 108 kann die Form eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Polygons oder eines Kreises aufweisen, und die vorstehende Struktur 108d an seiner oberen Öffnung 108a kann eine Struktur eines vorstehenden Rands sein, welche sich von der gesamten Peripherie der oberen Öffnung 108a nach innen erstreckt. Alternativ kann es ausgelegt sein, mehrere vorstehende Strukturen 108d aufzuweisen, die gleichmäßig an der oberen Öffnung verteilt sind und sich nach innen erstrecken. Vorzugsweise ist die sich nach innen erstreckende Länge der vorstehenden Struktur 108d gleichmäßig, um eine Fixierungs- und Einschränkungswirkung gleichmäßig in jede Richtung zu erzielen. Das Material des röhrenförmigen Gehäuses 108 kann ausgewählt sein aus Metallmaterialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder wird ausgewählt aus nichtmetallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon: Glas, Acryl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephthalat (PBT), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer (LCP) oder Polyetheretherketon (PEEK).
Mit Bezug auf das piezokeramische Element können gewöhnliche Piezokeramiken bei verschiedenen Einstellungen und Umständen unterschiedliche Resonanzmodi aufweisen, zum Beispiel einen Längenresonanzmodus, einen Breitenresonanzmodus oder einen Dickenresonanzmodus. Die Ultraschallwelle, die von dem piezokeramischen Element in diesen verschiedenen Modi emittiert wird, weist unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Es sei auf 5 verwiesen, welche ein Graph einer Impedanz (Ω) gegenüber einer Frequenz (kHz) in verschiedenen Resonanzmodi eines piezokeramischen Elements 102 gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters ist. In der Figur kann gesehen werden, dass, wenn das piezokeramische Element 102 eingeschaltet wird und hochfrequente Schwingungen erzeugt, es unterschiedliche Impedanzen bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen aufweist. Eine niedrigste Impedanz repräsentiert das piezokeramische Element 102, das eine höhere Energieeffizienz bei der Schwingung bei der korrespondierenden Frequenz, d.h. einem stabilen Resonanzzustand, erzeugt. Es sei die Kurve in der Figur als ein Beispiel angenommen, hier erreicht das piezokeramische Element 102 eine relativ niedrige Impedanz bei einer Resonanz bei einer relativ niedrigeren Frequenz, wobei es sich zu diesem Zeitpunkt in einem Längenresonanzmodus befindet, wobei ein erheblicher Teil seiner Resonanzkraft in einer Längsrichtung (d.h., einer Längenrichtung) des horizontalen Querschnitts des piezokeramischen Elements 102 übertragen wird, insbesondere wenn die Form des piezokeramischen Elements 102 rechteckig ist. In einem anderen Aspekt kann das piezokeramische Element 102 auch eine relativ niedrige Impedanz bei einer Resonanz bei einer Zwischenfrequenz erreichen, wobei es sich zu diesem Zeitpunkt in einem Breitenresonanzmodus befindet, wobei ein erheblicher Teil seiner Resonanzkraft in einer Querrichtung (d.h., einer Breitenrichtung) des horizontalen Querschnitts des piezokeramischen Elements 102 übertragen wird, insbesondere wenn die Form des piezokeramischen Elements 102 rechteckig ist. Weiterhin kann das piezokeramische Element 102 auch eine relativ niedrige Impedanz bei einer Resonanz bei einer relativ höheren Frequenz erreichen, wobei es sich zu diesem Zeitpunkt in einem Dickenresonanzmodus (oder als axialer Resonanzmodus bezeichnet) befindet, wobei ein erheblicher Teil seiner Resonanzkraft in einer Dickenrichtung (d.h., einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche 102a des piezokeramischen Elements) übertragen wird. Allgemein kann ein Verwenden eines Ultraschallwandlers mit einer niederfrequenten Resonanz den Erfassungsbereich vergrößern, jedoch mit einer größeren Blindzone und einer schlechteren Auflösung. Im Gegensatz dazu kann ein Verwenden eines Ultraschallwandlers mit einer Hochfrequenzresonanz zu einem kürzeren Erfassungsbereich führen, jedoch mit einer kleineren Blindzone und einer besseren Auflösung.
Es sei auf 6 verwiesen, welche Graphen zeigt, die die Längsrichtung eines piezokeramischen Elements und das Verhältnis der Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers gegenüber der Längsrichtung des piezokeramischen Elements darstellen. Als ein Element zum Schwingen und Emittieren von Ultraschallwellen in dem Ultraschallwandler wird das piezokeramische Element eine unterschiedliche Empfindlichkeit in unterschiedlichen Richtungen aufweisen. Diese Ausführungsform sei als ein Beispiel angenommen, da das Gehäuse des Ultraschallwandlers im vorliegenden Gebrauchsmuster mit einer vorstehenden Struktur 108d versehen ist, um die Befestigung interner Komponenten zu erleichtern, ist zu sehen, dass die Empfindlichkeit (kann auch durch eine Schallfeldintensität repräsentiert werden) des Wandlers in der Längsrichtung des piezokeramischen Elements allgemein gleichmäßig ist, bis auf die Teile, die allmählich in der Nähe von zwei Enden der Längsrichtung abfallen, sodass in dieser Auslegung eine Wirkung ähnlich zu einer ebenen Welle erzielt werden kann. Ein Verhältnis einer Breite zu einer Länge des rechteckigen piezokeramischen Elements beträgt vorzugsweise weniger als 50%, um einen bemerkbareren Mechanismus des Längenresonanzmodus und des Breitenresonanzmodus zu erzielen.
Zuletzt sei auf 7 verwiesen, welche eine schematische Querschnittsansicht ist, die eine andere Form des Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters darstellt. Die Struktur dieser Ausführungsform ähnelt der Struktur, die in der Ausführungsform von 1 gezeigt ist, mit dem Unterschied, dass der Ultraschallwandler 100 in dieser Ausführungsform weiter eine Trägerplatte 112 in dem röhrenförmigen Gehäuse 108 aufweist. Eine Oberfläche der Trägerplatte 112 ist mit dem Dämpfungselement 110 in dem röhrenförmigen Gehäuse 108 verbunden, während das andere Ende an der unteren Öffnung 108b des röhrenförmigen Gehäuses 108 exponiert ist, was eine stabilere Stütz- und Befestigungswirkung für das Dämpfungselement 110, das piezokeramische Element 102 und die akustische Anpassungsschicht 104 in dem Ultraschallwandler 100 bieten kann. Die Trägerplatte 112 ist weiter mit Leitungen oder Stiften 114 versehen, die jeweils die leitfähigen Drähte 106a, 106b verbinden. Ein externes hochfrequentes Wechselstromsignal kann durch die Leitungen 114 elektrisch mit dem piezokeramischen Element 102 verbunden werden und eine hochfrequente Schwingung zum Emittieren von Ultraschallwellen erzeugen.
Diejenigen mit Kenntnissen auf dem Gebiet werden leicht erkennen, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Vorrichtung und des Verfahrens ausgeführt werden können, während die Lehren des Gebrauchsmusters beibehalten werden. Entsprechend sollte die Offenbarung als nur durch die Maße und Grenzen der angehängten Ansprüche beschränkt angesehen werden.
Zusammenfassend wird offenbart: ein Ultraschallwandler, der ein piezokeramisches Element mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, die einander durch das piezokeramische Element gegenüberliegen, und einer seitlichen Oberfläche, die die obere Oberfläche und die untere Oberfläche verbindet, einen ersten leitfähigen Draht, der mit der oberen Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, einen zweiten leitfähigen Draht, der mit der unteren Oberfläche des piezokeramischen Elements verbunden ist, eine akustische Anpassungsschicht, die mit der oberen Oberfläche verbunden ist, ein Dämpfungselement, das das piezokeramische Element umschließt, und ein röhrenförmiges Gehäuse mit jeweils einer oberen Öffnung und einer unteren Öffnung an zwei Enden aufweist, wobei das piezokeramische Element, die akustische Anpassungsschicht und das Dämpfungselement in das röhrenförmige Gehäuse eingesetzt sind und vorstehende Strukturen an der oberen Öffnung vorgesehen sind und sich nach innen erstrecken, und die akustische Anpassungsschicht mit den vorstehenden Strukturen verbunden ist und an der oberen Öffnung exponiert ist.
Bezugszeichenliste

100: Ultraschallwandler
102: piezokeramisches Element
102a: obere Oberfläche
102b: untere Oberfläche
102c: seitliche Oberfläche
104: akustische Anpassungsschicht
106a: leitfähiger Draht
106b: leitfähiger Draht
108: Gehäuse
108a: obere Öffnung
108b: untere Öffnung
108c: innere Oberfläche
108d: vorstehende Struktur
110: Dämpfungselement
112: Trägerplatte
114: Leitung/Stift

Claims

Ultraschallwandler (100), gekennzeichnet durch: ein piezokeramisches Element (102) mit einer oberen Oberfläche (102a) und einer unteren Oberfläche (102b), die einander durch das piezokeramische Element (102) gegenüberliegen, und einer seitlichen Oberfläche (102c), die die obere Oberfläche (102a) und die untere Oberfläche (102b) verbindet; einen ersten leitfähigen Draht (106a), der mit der oberen Oberfläche (102a) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist; einen zweiten leitfähigen Draht (106b), der mit der unteren Oberfläche (102b) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist; eine akustische Anpassungsschicht (104), die mit der oberen Oberfläche (102a) des piezokeramischen Elements (102) verbunden ist; ein Dämpfungselement (110), das das piezokeramische Element (102) umschließt; und ein röhrenförmiges Gehäuse (108) mit einer oberen Öffnung (108a) und einer unteren Öffnung (108b) jeweils an zwei Enden und gegenüber voneinander, wobei das piezokeramische Element (102), die akustische Anpassungsschicht (104) und das Dämpfungselement (110) in das röhrenförmige Gehäuse (108) eingesetzt sind, und vorstehende Strukturen (108d), die sich nach innen erstrecken, an der oberen Öffnung (108a) vorgesehen sind, und die akustische Anpassungsschicht (104) mit den vorstehenden Strukturen (108d) verbunden ist und an der oberen Öffnung (108a) exponiert ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (110) die akustische Anpassungsschicht (104) und das piezokeramische Element (102) umschließt.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch eine Trägerplatte (112) in dem röhrenförmigen Gehäuse (108) und exponiert an der unteren Öffnung (108b) des röhrenförmigen Gehäuses (108), wobei die Trägerplatte (112) mit Leitungen, Stiften oder Drähten (114) versehen ist, die jeweils mit dem ersten leitfähigen Draht (106a) und dem zweiten leitfähigen Draht (106b) verbunden sind.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte und die vorstehenden Strukturen (108d) des röhrenförmigen Gehäuses (108) das piezokeramische Element (102), die akustische Anpassungsschicht (104) und das Dämpfungselement (110) in dem röhrenförmigen Gehäuse (108) fixieren.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des piezokeramischen Elements (102) in einer Form eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Kreises oder eines Polygons vorliegt.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das piezokeramische Element (102) in einer Form eines Rechtecks vorliegt und ein Verhältnis einer Breite zu einer Länge des Rechtecks kleiner als 50% ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass eine Schallfeldintensität des rechteckigen piezokeramischen Elements (102) in einer Längsrichtung des Rechtecks im Wesentlichen gleichmäßig ist.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des röhrenförmigen Gehäuses (108) in einer Form eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Kreises oder eines Polygons vorliegt.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung (108a) mit mehreren vorstehenden Strukturen (108d) versehen ist, die sich nach innen erstrecken und gleichmäßig an der oberen Öffnung (108a) verteilt sind.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehenden Strukturen (108d) ein vorspringender Rand sind, der sich von der gesamten oberen Öffnung (108a) nach innen erstreckt.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des röhrenförmigen Gehäuses (108) ausgewählt wird aus Metallmaterialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon: Aluminium, Titan, Kupfer, Edelstahl, oder ausgewählt wird aus nichtmetallischen Materialien der folgenden Gruppe oder einer Kombination davon: 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 11, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anpassungsschicht (104) ein organisches Polymermaterial aufweist oder ein Verbundmaterial aufweist, das aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder festen Teilchen besteht, und das organische Polymermaterial Epoxid, Vinylesterharz, UV-Harz, Polyurethan, Silikon, Acrylharz oder Cyanatesterharz umfasst.
Ultraschallwandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (110) thermoplastisches Polymerelastomer aufweist oder schäumendes Verbundmaterial aufweist, das aus organischen Polymermaterialien gemischt mit hohlen Teilchen oder festen Teilchen besteht, und das organische Polymermaterial Epoxid, Vinylesterharz, UV-Harz, Polyurethan, Silikon, Acrylharz oder Cyanatesterharz umfasst.