DE2547606A1 - Piezoelektrischer ultraschallumsetzer - Google Patents

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE Dr.-!ng. von Kreisler f 1973

Anmelder In Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln

Murata Manufacturing Co., Ltd. Dr.-ing. κ. w. Eishold, Bad Soden

No. 16, Kalden Nishijin-cho, Dr. j. F. Fues, Köln

NagaokakyO-Shl , KyotO-f U Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Japan Dipl.-Ing. G. Selting, Köln

Sg-Is 5 Köln ι 22. Okt. 1975

DEICHAAANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

Piezoelektrischer Ultraschallumsetzer

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Umsetzer zum Senden und-Empfangen von Ultraschallwellen, mit einer eine Abstützung tragenden Grundplatte, einem auf der Abstützung mit einem elastischen Binder befestigten piezoelektrischen Doppelplattenresonator, dessen Knotenbereich an der Oberseite der Abstützung angeordndb ist, und mit einem an der Grundplatte befestigten Gehäuse.

Es gibt verschiedene Ultraschallumsetzer, die einen oder mehrere piezoelektrische Vibratoren aus piezoelektrischen Keramikmaterialien aufweisen. Bei diesen piezoelektrischen Ultraschallumsetzern sind die Vibratoren mit einem oder mehreren Resonatoren zur Verstärkung der mechanischen Vibration und der elektrischen Ausgangssignale ausgestattet. Ein bekannter piezoelektrischer Umsetzer enthält beispielsweise einen piezoelektrischen Vibrator, der schichtförmig zwischen zwei Metallplatten, die als Resonatoren benutzt werden, angeordnet ist. Dieser piezo-

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elektrische Umsetzer hat eine geringe Empfindlichkeit und eine schmale Bandbreite und ist von komplizierter Konstruktion und geringer Zuverlässigkeit. Daher standen eine Reihe von Problemen zur Lösung an.

Zur Entwicklung eines piezoelektrischen Umsetzers mit hoher Empfindlichkeit und großer Bandbreite sind Versuche unternommen worden, bei denen neuerdings ein piezoelektrisches Mikrophon hergestellt wurde, das einen piezoelektrischen Vibrator und einen trichterförmigen Resonator aus Metall aufweist, der mit dem Vibrator durch einen durch das Zentrum des Vibrators hindurchgehenden Stift verbunden ist. Die Verwendung des trichterförmigen Resonators ermöglicht in gewissem Umfange eine Verbesserung der Empfindlichkeit und Bandbreite des Umsetzers. Bei der Massenproduktion ist es jedoch schwierig, die Exemplarstreuungen der elektrischen Eigenschaften derartiger Umsetzer in Grenzen zu halten, da die Eigenschaften sehr stark von der Länge des Verbindungsstiftes und von der Form des Resonators beeinflußt werden. Darüber hinaus ist der Resonator ständig der Gefahr von Verformungen ausgesetzt, weil er aus dünnem Metall mit einer Wandstärke in der Größenordnung von 0,1 mm besteht und durch mechanische Stoßeinwirkung leicht verformt werden kann. Die Justierung der Mittenfrequenz des Umsetzers auf den vorbestimmten Wert ist sehr zeitraubend, da die Frequenzcharakteristiken der Umsetzer infolge der unterschiedlichen Längen der Verbindungsstifte stark variieren. Außerdem muß der für diesen Umsetzer verwendete Vibrator eine öffnung zur Befestigung des Verbindungsstiftes in seinem Zentrum haben, so daß seine Herstellung nicht ganz einfach ist.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Umsetzer der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine höhere Empfindlichkeit, eine größere Frequenzbandbreite und eine höhere Zuverlässigkeit hat. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Mittenbereich des Vibrators an dessen Oberseite ein sich verjüngender Resonator aus einem Harz mit seiner kleinen Basisfläche befestigt ist.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Ultraschallumsetzer hat eine kompakte und einfache Konstruktion und ist leicht und mit geringen Kosten herzustellen. 3äne ExemplarStreuungen sind, insbesondere hinsichtlich der angestrebten Mittenfrequenz, außerordentlich gering.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Umsetzer eignet sich zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen in Luft. Er besitzt einen piezoelektrischen Vibrator und einen kegelstumpfartigen Resonator aus Harz, vorzugsweise einem Kunstharz, der mit seiner kleinen Grundfläche auf dem Vibrator befestigt ist.

Der piezoelektrische Vibrator ist ein Doppelplattenvibrator und enthält zwei quadratische oder scheibenähnliche piezoelektrische keramische Vibratorelemente, die mit ihren Flächen aneinanderliegeη und einander entgegengesetzt polarisiert sind.

Der Resonator kann aus einem Kunstharz geformt sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ABS-Harze und Polykarbonatharze gehören. Er kann die Form eines Kegelstumpf es oder eine Pyramide haben. Auch andere sich verjüngende Formen sind möglich. Da der Resonator massiv ist, besteht nicht die Gefahr unbeabsichtigter Verformungen durch mechanische Stoßeinwirkung bei der Montage des Umsetzers.

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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Grundform eines piezoelektrischen Ultraschallumsetzers nach cö? Erfindung,

Fig. 2 zeigt perspektivisch ein Explosionsbild des Ultraschallumsetzers nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt die Frequenzcharakteristik des Ultraschallumsetzers nach Fig. 1,

Fig. 4 zeigt verschiedene Ausführungsformen kegelstumpfförmiger Resonatoren, die zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ultraschallumsetzers verwendbar sind,

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines piezoelektrischen Ultraschallumsetzers nach der Erfindung mit abgenommenem Gehäuse, und

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform des Ultraschallumsetzers mit abgenommenem Gehäuse.

Den Fig. 1 und 2 ist eine Grundform eines piezoelektrischen Umsetzers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen zu entnehmen. Der Umsetzer enthält eine Grundplatte 1 aus Isoliermaterial, auf der eine Abstützung 2 angebracht ist, unter der sich ein leerer Raum 2 befindet. Die Abstützung 2 kann einstückig mit der Grundplatte 1 aus Kunstharz oder einem anderen Isoliermaterial

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gegossen sein. An der Unterseite der Grundplatte 1 ist eine Abschirmplatte 4 aus Metall mit Elektrodenanschlüssen 5 befestigt, die durch die Grundplatte 1 und die Abschirmplatte 4 hindurchgehen.

Auf der Abstützung 2 ist ein quadratischer piezoelektrischer Vibrator 6 vom Doppelplattentyp (bimorph) mit einem elastischen Kleber in der Weise befestigt, daß der Knotenbereich des Vibrators auf dem oberen Ende der Abstützung 2 liegt. An den gegenüberliegenden Elektroden des Vibrators 6 sind Bleidrähte 7 befestigt, die zu den Elektrodenanschlüssen 5 geführt sind. Erfindungsgemäß ist an dem Zentralbereich der Oberseite des Vibrators 6 ein kegelstumpfförmiger Resonator 8 aus Kunstharz mit seiner kleinen Basis 8a durch Kleben befestigt. Die gesamte Baugruppe ist durch ein zylindrisches Schutzgehäuse 9 geschützt, das an dem Rand der Grundplatte 1 angebracht ist, so daß die Grundplatte das Gehäuse verschließt. Das Gehäuse 9 besitzt einen ringförmigen Flansch 9a an seiner Oberseite. Die von dem Flansch 9a umschlossene öffnung ist durch einen Gitterschirm 10 \a^>schlossen.

Fig. 3 zeigt die Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Ultraschallumsetzers. Man erkennt, daß der Ultraschallumsetzer mit kegelstumpfförmigem Resonator aus Kunstharz eine sehr große wirksame Bandbreite und hohe Empfindlichkeit besitzt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt der Resonator 8 die Form eines Kegelstumpfes oder Konus. Es können jedoch auch verschiedene andere kegelstumpfähnliche Resonatoren verwendet werden. Einige mögliche

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Formen sind in Fig. 4 abgebildet. Die Resonatoren der Fig. 4 (a) und (b) haben die Form von viereckigen bzw. sechseckigen Pyramidenstümpfen. Auch tischförmige Resonatoren mit kreisförmiger oder quadratischer Grundfläche, die sich nach einer Seite hin verjüngen, können benutzt werden. Solche Resonatoren sind in den Fig. 4 (c) bis (e) dargestellt. Bevorzugt wird man einen kegelstumpfförmigen Resonator verwenden.

Der in Fig. 5 abgebildete piezoelektrische Ultraschallumsetzer ist gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 verbessert. Er besitzt einen kegelstumpfförmigen Resonator, der auf der Seite seiner kleinen Basisfläche, die an dem piezoelektrischen Vibrator anliegt, eine Mittelausnehmung 12 aufweist.

Der piezoelektrische Ultraschallumsetzer nach Fig. 5 weist eine Grundplatte 1, einen zylindrischen Stützrahmen 2, der der Oberseite der Grundplatte 1 einstückig angeformt ist, ein Paar Elektrodenanschlüsse 5, die durch die Grundplatte 1 hindurchführen, einen tischförmigen piezoelektrischen Vibrator 6 vom Doppelplattentyp, der auf der Oberseite des Stützrahmens 2 befestigt ist, einen mit einer Ausnehmung 12 versehenen und auf der Oberseite des Vibrators befestigten Resonator 11 aus Harz sowie ein zylindrisches Gehäuse auf. Die Ausnehmung im Mittelbereich des Resonators an der kleinen Basisfläche verhindert Abweichungen des Umsetzers über einen vorgeschriebenen Wert hinaus von seiner Mittenfrequenz und verbessert die Empfindlichkeit des Umsetzers, weil die die Ausnehmung umgebende kleine Basisfläche um den Zentralbereich des Vibrators herum liegt, wo die Amplitude am größten ist,

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Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Resonator 13 aus Harz in der Form eines Kegelstumpfes anstelle der Ausnehmung 12 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 entlang seiner Achse mit einer vollständig durchgehenden öffnung 14 versehen.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Umsetzer zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen in Luft besitzt eine hohe Empfindlichkeit, ein breites Frequenzband und eine hohe Zuverlässigkeit. Er eignet sich somit zur Verwendung in Fernsteuergeräten für Fernsehgeräte und dgl. Ferner können Abweichungen von der Mittenfrequenz, die über einen vorbestimmten Wert hinausgehen, wirksam verhindert werden. Hierdurch werden die Exemplarstreuuungen der elektrischen Charakteristiken in der Massenproduktion stark herabgesetzt. Zusätzlich hat der erfindungsgemäße piezoelektrische Umsetzer den Vorteil einer einfachen Konstruktion, so daß er einfach herzustellen ist.

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Claims (5)

1. Ansprüche

   Piezoelektrischer Umsetzer zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen, mit einer eine Abstützung tragenden Grundplatte, einem auf der Abstützung mit einem elastischen Binder befestigen piezoelektrischen Doppelplattenresonator, dessen Knotenbereich an der Oberseite der Abstützung angeordnet ist, und mit einem an der Grundplatte befestigten Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß im Mittenbereich des Vibrators (6) an dessen Oberseite ein sich verjüngender Resonator (8) aus einem Harz mit seiner kleinen Basisfläche (8a) befestigt ist.
2. 2. Piezoelektrischer Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (8) aus einem Kunstharz derjenigen Gruppe besteht, zu der ABS-Harze und Polykarbonatharze gehören.
3. 3. Piezoelektrischer Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (8) eine Ausnehmung (12) im Mittelbereich seiner kleinen Basisfläche aufweist.
4. 4. Piezoelektrischer Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (8) entlang seiner Achse eine durchgehende öffnung (14) oder Bohrung aufweist.
5. 5. Piezoelektrischer Umsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (8) kegeistumpf förmig mit kreisscheibenförmigen Grundflächen ausgebildet let. _609820/0708