DE2937942A1

DE2937942A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2937942A1
Application number: DE19792937942
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Heinouchi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1980-03-27
Also published as: US4283649A; DE2937942C2; GB2032223A; GB2032223B

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER FP-0931

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff vpn Patentanspruch 1 genannten Art.

Derartige Ultraschallujandler werden als den Dopplereffekt ausnutzende Annäherungs-Alarmgeber, zur Fernbedienung von Fernsehempfängern u. dgl. verwendet. In einem solchen Uandler befindet sich ein aus einem Zweielementen- Kristallschwinger, an dem mittig auf einer oberfläche ein Zusatzresonator aus Aluminium oder Kunstharz befestigt ist, bestehender zusammengesetzter Schwinger. Derartig aufgebaute Ultraschallschwinger sind beispielsweise in der US-PS 3 675 053 aus dem Jahr 1972 und in der GB-PS 1 5Tt 967 aus dem Jahre 197Θ beschrieben. Die in der erstgenannten Druckschrift beschriebene Ausführung besitzt eine einzige Spitze in seiner Frequenzcharakteristik und ist dementsprechend schmalbandig, während die aus der letztgenannten Schrift bekannte Ausführung zwei Hocker in seiner Frequenzcharakteristik und dementsprechend ein relativ/ breites ausnutzbares Frequenzband aufweist. Die Erfindung richtet sich auf einen Ultraschallwandler-Typ, wie er in der letztgenannten GB-PS 1 51** 967 angegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen herkömmlichen Ultraschallwandler ist in Fig. 1 der anliegenden Zeichnung dargestellt. Er enthält einen zusammengesetzten Wibrator 1, bestehend aus einem keramischen Zweielementen-Kristallschwinger 2 und einem aus Kunstharz hergestellten und in der Mitte der einen Oberfläche des Kristallschwingers 2 auf demselben befestigten Resonator 3 aus Kunstharz. Durch Befestigung seines Kristallschwingers 2 aneinem zylinderischen Träger kl, der integral an ein isolierendes Basiselement k angeformt ist, wurde der zusammengesetzte Schwinger 1 mit dem Basiselement k verbunden.

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Durch das Basiselement k hindurchgehende äußere Anschlußstifte 91 und 92 sind über Uerbindungsdrähte 2a und 2b elektrisch mit den entsprechenden Schichten des Zweielementen-Kristallschwingers 2 verbunden. In einem das Oasiselement h und den zusammengesetzten Schwinger 1 bedeckenden Metallgehäuse 6 befindet sich oben eine Öffnung 61 als Ein- oder Austrittsöffnung für Ultraschallenergie, welche der zusammengesetzte Schwinger 1 entweder aus der Umgebung aufnimmt oder an diese abgibt. Diese Öffnung Π1 ist mit einer Abschirmplatte 7 überdeckt, welche sandwichartig zuischen einem die Öffnung 61 umgebenden Hand 62 des Metallgehäuses 6 und einem Ririyelement 8 eingefaßt ist. Dieses Kinyelement O liegt auf einer umlaufenden Sicke im Metallgehäuse 6 auf. Die nach innen greifende Sicke kann beispielsweise eingerollt oder durch einen Ziehprozeß eingeformt sein. Ferner ist unterseitig eine Abschirmplatte durch eine Bördelung 6^ am Ende des Metallgehäuses 6 befestigt. Das Metallgehäuse 6 soll gemeinsam mit der Abschirmplattn b den zusainmcnyesKtzten Schwinger 1 elektrostatisch abschirmen.

In Fig. 2 und 3 sind grafisch eine Impedanz -Charakteristik beziehungsweise eine Empfindlichkeits-Charakteristik für den bekannten Ul traschall wandler won Fig. 1 aufgetragen, wie diese Charakteristiken zeigen, hat der bekannte Ultraschallwandler von Fig. 1 eine erste Resonanzstelle sowie eine erste Empfindlichkeit in einem unteren, und eine zweite Resonanzstelle mit einer zweiten Empfindlichkeit in einem höheren Frequenzbereich. Streut man versuchsweise Pulver auf die Schallwandlerfläche des Zusatzresonators 3 aus Kunstharz, dann erkennt man, daß die erste und die zweite Resonanzstelle auf unterschiedlichen Schwingungsarten basieren. So entsteht bei der ersten Resonanzstelle eine von oben nach unten gehende "kolbenartige" Transversalschwingung, die das auf der Schalluandlerflache verstreute Pulver auf der Gesamtfläche

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von oben nach unten vibrieren läßt. Dagegen tritt bei der zweiten Resonanzstelle eine Biegeschwingung auf, die zu einer Konzentration der Pulververteilung auf der SchallwBndlerflache entlang einer Schwingungsknoten-Kreislinie führt. A_uf jeden Fall ist, wie Fig. 3 zeigt, die Empfindlichkeit bei der ersten Resonanzstelle recht niedrig im Gegensatz zu der Empfindlichkeit bei der zweiten Resonanzstelle. In Fig. 3 ist del· für die praktische Verwendung notwendige Empfindlichkeitspegel

^₀ durch eine strich-punktierte Linie A angegeben.

IJie sich aus Fig. 3 ferner entnehmen läßt, übersteigt der Empfindlichkeitspegel bei der ersten Resonanzstelle kaum den Mindest-Empfindlichkeitspegel A, so daß dieser Wandler kaum für den Einsatz in einem relativ niedrigen Frequenzbereich geeignet ist. Aufgrund seiner Empfindlichkeits-Charakteristik wird der in Fig. 1 dargestellte bekannte Ultraschallwandler nur für das in Fig. 3 mit D bezeichnete relativ enge Frequenzband im Bereich der zweiten Resonanzstelle geeignet sein. Die geringe Empfindlichkeit bei der ersten Resonanzstelle hat folgenden Grund:

Bei der bekannten Ausführung ist der zusammengesetzte Schwinger 1 direkt auf dem zylindrischen Träger k1 des Basiselementes U befestigt. Dadurch wird die Trans-Versalschwingung so stark unterdrückt, daß an der ersten Resonanza teile keine ausreichende E'-'pFindlichkät vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art aufzuzeigen, •j₀ welcher über ein breites Frequenzband hinweg eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgebe ist im Patentanspruch angegeben, vorteilhafte LJei terbildungen des Erf indungsgedankenB sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Ein wesentliches Merkmal des erf i nriungsgernäBen Ultraschallschuingers bildet ein zwischen das isolierende üasiselement einerseits und den zusammengesetzten Schwinger andererseits gelegtes elastisches Element, welches den Vurteil bietet, daß es an der ersten R esa η anz stelle die Transversalschwingungen nicht unterdrückt und aufgrund dessen zu einer wesentlich vergrößerten Empfindlichkeit an der ersten Resonanzsteile Führt. In Verbindung mit der hohen Empfindlichkeit an der Biegeschwingungen erzeugenden zweiten ^⁰ Hesonanzstelle besitzt somit der erf inriungscjemäße Ultraschallschwinger nine hohe Empfindlichkeit über einen sehr breiten Frequenzbereich hinweg.

Eine vorteilhafte LJe i terb ildung des Erfindungsgedankens läßt sich dadurch erzielen, wenn an die Schalluandlerfläche des Zusatzresanatars ein Ansatz angeformt ist, welcher den Gütefaktor an der zweiten Resonanzsteile, nämlich der Hiegeschwingungs-Resonanz, herabsetzt. Dadurch uiird ein ausgeglichener Empfindlichkeitspegel über beide Resonanzstellen hinweg erzielt.

Nach einer anderen Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dem isolierenden Oasiseletnent die Form eines offenen zylindrischen Topfes zugeben, in dessen Mitte ein zylindrisches Stützteil vom Boden zur Öffnung aufragt, an dessen Ende der zusammengesetzte Schwinger über das elastische Element befestigt ist. Ferner kann die Innenoberfläche der zylindrischen Wandung so abgestuft sein, daß in Richtung auf die Topfüffnung ein vergrößerter Innendurchmesser gebildet wird, welcher zu einer Verbesserung der Ein- und Abstrahleigenschaften des Ultraschallwandleis führt.

Nachstehend werden einige Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Oezugnahme auf eine

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Zeichnung, in der auch der Stand der Technik dargestellt ist, näher erläutert.
Darin zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Ultrascholluandler,

Fig. 1 und 2 grafische Darstellungen mit einer Impedanz- bzw. Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführung von Fig. 1

Fig. '* einen Schnitt durch ein erstes Ausfüh

rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Uandlers,

Fig. 5 einen kegelstumpffürmigen Zusatz-Ilesonator aus Kunstharz in Persnektivdarstellung,

Fig. 6 einen quadratischen Zueielementen-

Kristallschuiinger in Perspektivriarstellung,

Fig. 7 ein ringförmiges elastisches Element für einen erfindungsgemäßen Wandler,

Fig. U und D grafische Darstellungen zur Impe

danz-Charakteristik bzw. zu einer van (Jet Dicke des elastischen Elementes won Fig. 7 abhängigen Empfindlichkeita-Charakteristik,

Fig.io ein anderes Ausführungsbeispiel für ein

ringförmiges elastisches Element,

Fig.11 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Idandlers,

Fig.12 eine Perspektivdarstellung eines zusätz

lichen Resonators aus dem Beispiel von Fig. 11,

Fig.13 einen Teilschnitt durch eine Grundplatte aus dem Dandier won Fig. 11,

Fig.ii* und 15 je eine grafische Darstellung

einer Impedanz- bzui. Empfindlitihkeits-Charakteristik des Wandlers von Fig. 11,

Fig.16 bis 19 schematische Schnittansichten von

unterschiedlich dimensionierten Grundplatten- ^o Ausführungsbeispielen, _und

Fig.2o bis 23 grafische Darstellungen verschiedener den Dimensionen von Fig. 16 bis 19 zugeordneter Empfindlichkeits-Charakteristiken.

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Das in Fig. U geschnitten dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist ein zusammengesetzter Schwinger 1o mit einem zusätzlichen Resonator 12 aus Kunstharz, der durch ein Klebemittel in der Mitte auf einer Oberfläche eines quadratisch geformten piezoelektrischen Zweielementen-Kristallschwingers 11 befestigt ist, welcher seinerseits zwei zusammengefügte piezoelektrische Keramikplatten aufweist, bei denen an äußeren Seitenelektroden im Bereich einer nicht dargestellten Knotenpunktlinie Anschlußleitungen 111 und 112 angelötet sind. Der in Fig. 5 separat dargestellte zusätzliche Resonator 12 ist mit seiner kleineren, in Fig. 5 unten liegenden Zylinderfläche, an dem Kristallschwinger 11 befestigt, und seine größere Oberfläche (großer Durchmesser)

dient als Schallwandleroberfläche. Der zusammengesetzte Schwinger 1o ist über ein zwischengelegtea elastisches ringförmiges Element 1o1 aus Silikongummi (Fig.7) auf einer isolierenden Grundplatte ^o hefestigt, an der 2g ferner durchgehende AnschluQstifte 91 und 92 fixiert sind. Beispiels- bzw. vorzugsweise sind der Schwinger 1a, insbesondere der Kristallschwinger 11 mit dem elastischen Element 1o1, und letzterer mit der Grundplatte *»o mit einem Silikonkleber zusammengefügt bzw. verbunden. Eine Abschirmplatte 5 auf der äußeren Rückseite der Grundplatte ka ist mit dem einen AnschluBstift 92 verlötet und von dem anderen Stift 91 elektrisch isoliert. Der zusammengesetzte Schwinger 1o ist von einem zylindrischen Metallgehäuse 6 umgeben, der an einem Ende abgedichtet 3d mit der Grundplatte ^o verbunden ist und am anderen Ende eine Öffnung 61 aufweist, die mit einer Abschirmplatte 7 verschlossen ist.

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Ueil nun bei dem i?iTindurigayemiii3en Auüführungsbuispiel von Fig. U der zusammengesetzte Schwinger 1a durch das elastische Element 1o1 unterstützt ist, kann sich die über seine Dicke wirksame Transversal- (bzw. Kolben-) Schwingungsart seiner beiden Schwingungsarten besser ausbilden. Dadurch hat dieser Schuinqer 1o, wie aus der Impedanz-Charakteristik van Fig. U und der Empfindlich k e i ts-Charakteristik von Fig. 3 hervorgeht, im unteren Frequenzbereich eine für die Praxis ausnutzbare

-J₀ große Empfindlichkeit. Damit steht ein Ul traschal lwnndler mit einer guten Empfindlichkeit über ein breites Frequenzband zur Verfügung, was einer verbesserten Empfindlichkeit der 1. Resonanz einer Transversal-Schujingungsart in Verbindung der 2. Resonanz einer Biegeschuiingungsart zu verdanken ist. In Fig. 3 ist das Frequenzband mit C bezeichnet, in dessen Grenzen ein für die praktische Anwendung ausreichender Empfindlichkeitspegel verfügbar ist. Vergleicht man Fig. 3 mit Fig. 3, dann ist. durch die Erfindung ausnutzbare Frequenzband wesentlich bruiter nls heim herkümmlichun Ultraschallwandler. In Fig. 3 wurden verschiedene Empfind lichkeitskurven 1, 2, 3 und U in Abhängigkeit von unterschiedlich dicken ringförmigen elastischen Elementen 1n1 (Fig. 7) aufgenommen, welche den Abstand zwischen dem Zueielementen-Hristallschwinger 11 und der isolierenden Grundplatte ^o bestimmen. Die Empfindlichkeitskurven 1, 2, 3 und k gehören jeweils zu einem t = α,2 mm, o,b mm, o,6 mm bzw. o,0 mm dicken Element 1o1. Zwar hat sich bei diesem Vergleich das o,2 mm dicke elastische Element 1o1 als optimal erwiesen, jedoch kann sich dieser Uptimalwert für die Dicke t in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen des zusammengesetzten Schwingers 1o durchaus ändern und sollte daher vorzugsweise durch Experimente bestimmt werden. Die zuvor beschriebenen Empfindlichkeitskurven wurden bei abgenommenem Metallgehäuse 6 aufgenommen. liJenn das Gehäuse G gem. Fig. U

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daran befestigt ist, fällt die Empfindlichkeit etwas ab. Durch günstige geometrische Gestaltung des Gehäuses oder der Grundplatte oder des zusätzlichen Resonators kann die Empfindlichkeit noch verbessert werden. Daher sollte man die Geometrie und Ausbildung des Gehäuses und dgl. jeweils im Hinblick auf die Anwendung in geeigneter Ideise bestimmen.

Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf einen Silikongummi ring als Element 111; beispielsweise kann der zusammengesetzte Schwinger direkt mit Hilfe eines SiIikonklebers befestigt werden.

Alternativ zu dem ringförmigen Element 1o1 kann auch ein geschlitztes ringförmiges SiIikongummi-Element 1o1 gemäß Fig. 1o v/erwendet werden. Es bietet beispielsweise den Vorteil, daß die Lötverbindung zwischen dem Hristallschwinger 11 und der Anschlußleitung 112 in dem Ringausschnitt 1o1a untergebracht werden kann. Dadurch wird eine Schräglage des Schwingers 1o vermieden und eine gewünschte Richtcharakteristik aufrecht erhalten.

Ein in Fig. 11 dargestelltes zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in mancher Hinsicht dem von Fig. *♦ ähnlich, so daß nachstehend im wesentlichen nur die abweichenden Einzelheiten erläutert werden. So besteht der in Fig. 12 separat dargestellte zusätzliche Resonator aus einem kegelstumpfformigen Rumpfabschnitt 121 mit einem integral angeformten und aus der Wanderoberflache aufragenden Zylinderansatz 122. Die kleinere Rumpfabschnittfläche ist auf dem Zweielementen-Kristallschujinger 11 befestigt. Die sich ebenfalls von der Ausführung in

, Fig. i» unterscheidende Grundplatte ko ist in Fig. 13 separat dargestellt. Von einem zylindrischen Boden

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ragt außen eine zylindrische Wandung ^dI und innen ein zylindrisches Stützteil i*o3 auf, so daß zwischen kai und ί»α1 eine Ringnut ka5 gebildet ist. An der offenen Seite der Grundplatte ka ist das Stützteil i*o3 mit einen konzentrischen vorspringenden Absatz ko¹* mit reduziertem Außendurchmesser v/ersehen. Auch die zylindrische Außenwand '»o1 besitzt eine interne Endabstufung mit vergrößertem Innendurchmesser, und ferner ist am offenen Ende der Umfangsuandung ko¹] ein nach außen und innen abgesetzter Vorsprung ί+α6 angeformt sowie büdenseitig vorstehende Anschlußstifte 91, 92 eingebettet. Auf den Absatz ^a*+ ist ein ringförmiges elastisches und beispielsweise aus Silikongummi bestehendes Element 1o1 'mit Spalt (s. Fig. 1o) aufgepaßt und dadurch elastisch befestigt, kann ober auch angeklebt sein. Da der Vorsprung kok niedriger als das elastische Element 1o1' dick ist, steht die äußere Oberfläche des Elementes 1o1' etwas über die Oberseite des Vorsprungs kok hinaus. Auf dem so positionierten elastisehen Element 1o1' kann der zusammengesetzte Schwinger leicht montiert werden.

Alternativ könnte (nicht dargestellt) ein Rand um den Vorsprung kok am Ende des Stützteils ka3 angeformt und so eine Umfangsnut zur Aufnahme des elastischen Elementes 1o1' gebildet sein.

Vorzugsweise ist das elastische Element 1o1' mittels eines Silikonklebers am Stützteil i+o3 befestigt und ferner der zusammengesetzte Schwinger 1o mit der Gehäuseäffnung zugekehrtem Zylinderansatz 122 auf dem elastischen Element 1o1' fixiert. Dabei ist der Schwinger 1o so positioniert, daß die Lütanschlußstelle der

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Leitung 112 auf der Unterseite des Kristallschwingers 11 in dem Spalt 1o1 a (Fig. 1o) des Elementes 1α1· liegt. Danach wird vorzugsweise der Spaltbereich 1o1 a mit Silikonkleber vollständig ausgefüllt, so daß ein zwischen dem Zujeielementen-Schuiinger 11 und dem Stützteil i«o3 vorhandener Spalt versiegelt ist. Vorzugsweise ist die Leitung 111 am Stift 91, und die Leitung 112 am Stift 92 festgelötet, und die Lötstellen sind mit einem Silikonkleber überdeckt.

-J₀ Die aus Fig. 11 hervorgeht, ist die von dem Vorsprung i*o6 am offenen Ende der zylindrischen Idandung Ua¹] eingefaßte Öffnung der Grundplatte ka mit einer deckeiförmigen Abschirmplatte 7 überdeckt, deren angeformter Rand 71 sandwichartig zwischen dem Vorsprung ^o6 und der Seitenwand des aufgesetzten Metallgehäuses 6 eingebettet ist. Damit ist die Ahschirmplatte 7 auf einfache Weise fixiert, die beim Stand der Technik gem. Fig. erforderlichen komplizierten Befestigungsmaßnahmen entfallen.

Man beachte, daß der Durchmesser des Zylinderansatzes 122 des zusätzlichen Harz-Resonators 12 etwa gleich oder etwas kleiner als der Schwingungsknotenpunkt-Kreis einer Biege9chwingungsart des Schwingers 1o ist, keineswegs größer. Gbwohl dieser Zylinderanaatz 122 aufgrund seiner Masse den Resonanz-Gütefaktor in. der Biegeachwingungsart verschlechtert, hat er wenig Einfluß auf eine Transversal-Schwingungsart, eben weil sein Durchmesser gleich oder kleiner als der Durchmesser des Biegeschwingunga-Knotenpunktkreises ist.

Ganz allgemein wird das Gesamt-Schwingungsverhalten trotz Schwächung der Biegeschwingungen etwa gleich

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grüß wie bei einer Ausführung ohne Zylinderansatz am zusätzlichen Resonator 12 sein, und außerdem wird durch Unterdrückung der Biegeschwingungen die Transversalschwingungsart relativ verstärkt.

Statt als Integralansatz kann der Zylinderansatz 122 auch als separates Teil hergestellt und an dem Rumpfabschnitt 122 mit einem Klebemittel oder dgl. befestigt sein. Ferner muß der ZyIindcransatz 122 nicht kreisrund sein, er kann vielmehr halbkreisförmig,

^₀ polygonal oder anders gestaltet sein. Die Masse des Ansatzes 122 soll sorgfältig so bemessen sein, daß der Gütefaktor im zweiten Resonanzbereich einer Biegeschwingungsart unterdrückt uird. Ein zu kleiner Gütefaktor setzt die Empfindlichkeit des UJandlers herab.

^r₁ Deshalb wird vorzugsweise die Masse des Ansatzes 122 so gewählt, daß die Empfindlichkeit über einer praktisch verwertbaren Grenze liegt und eine Kolbenschwingungsart wenig behindert wird.

Da auch bei der Ausführung in Fig. 11 der Schwinger durch das ringförmige elastische Element 1o1· unterstützt ist, erhöht sich die Wirksamkeit der ersten Resonanz in einer Transversal- (bzw. Kolben-) Schwingungsart, und daraus resultiert ein Ultraschallschwinger mit guter Empfindlichkeit über ein breites Frequenzband. Mit Hilfe des auf den Rumpfabschnitt 121 des aus Kunstharz hergestellten zusätzlichen Resonators 12 kann der Gütefaktor für die zweite Resonanz vermindert werden.

In Fig. 1i* ist die Abhängigkeit der Impedanz, und in Fig. ^₀ die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz

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für einen erfindungsgemäßen Utraschallwandler aufgetragen, und zwar gilt die durchgehende Linie für einen Wandler mit Ansatz 122, und die unterbrochene Linie für einen Wandler ohne Ansatz 122 am zusätzlichen Resonator 12. Bei der unterbrochenen Linie ist der Gütefaktor bei der zweiten Resonanz hoch,und wegen des fehlenden Ansatzes 122, die Empfindlichkeit in diesem Bereich relativ gering. Dagegen verursacht, wie die durchgehende Linie zeigt, der anwesende Zylinderansatz 122 am zusätzlichen Resonator 12 in der ersten Resonanz einen großen und in der zweiten Resonanz einen kleinen Güter faktor. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß infolge des geringeren Gütefaktors in der zweiten Resonanz der Gütefaktor der ersten Resonanz durch eine Transversal-Schwingungsart vergrößert wird in Abhängigkeit von der erwähnten Unterdrückung. GemHß Fig. 15 (durchgehende Linie) steigt in der zweiten Resonanz die Empfindlichkeit mit einer Gütefaktor-Verminderunp. Dagegen wird trotz Erhöhung des Gütefaktors In der ersten Resonanz dort die Empfindlichkeit nicht vermindert. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die erste Resonanz durch eine Transversal-Schwingungsart hervorgerufen ist.

Ferner kann durch eine AbsatzauBbildung an der Innenoberfläche der Umfangswandung *io1 in der Nähe der Öffnung der isolierenden Grundplatte ka der Wirkungsgrad des Wandlers weiter verbessert werden. Solche abgesetzten Bereiche reflektieren Ultraschallwellen in der Weise, daß ausgesandte Ultraschallwellen zur Öffnung 61 des Metallgehäuses 6, und ankommende Ultraschallwellen in Richtung auf die Wandleroberfloche

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des zusätzlichen Resonators 12 gebündelt werden. Derartige Absätze sind schmierig in ein Metallgehäuse gem. Fig. 1 einzuarbeiten, dagegen äußerst einfach herzustellen, wenn die Basis oder Grundplatte aus einem Kunstharzmaterial hergestellt und als zylindrischer Topf mit Boden ausgebildet ist.

Nachstehend werden die durch Versuch ermittelten Einflüsse unterschiedlicher Grundplatten-Konfigurationen auf die Empfindlichkeit eines LJundlers Iq näher erläutert.

Bei dem Versuch uurden vier unterschiedlich geformte, in den Figuren 16 bis 19 dargestellte Grundplatten Ua weruendet, die jedoch sämtlich in das gleiche Metallgehäuse 6 passen. Die isolierende Grundplatte ^o von Fig. 16 hat eine angeformte ringförmige Einfassung '♦al¹, und in der Mitte von Absatz koh ist ein zusammengesetzter Schwinger über ein elastisches Element zu befestigen, wodurch üblicherweise die Empfindlichkeit erhöht wird. In Fig. 2o sind verschiedene Empfind-

2_Q lichkeitskurven a, b, c und d für verschiedene von 1,o mm bis 1,6 mm reichende Hühenwerte h der Einfassung '♦öl' aufgetragen. Die Versuche haben gezeigt, daß trotz veränderter Höhe h der Einfassung ko'\¹ die Empfindlichkeit in dem Frequenzbereich um ko kHz

pe relativ gering bleibt. Über den gesamten Frequenzbereich betrachtet, läßt sich erkennen, daß eine Höhe h = 1,2 mm noch die größte Empfindlichkeit mit sich bringt. Die in Fig. 17 dargestellte Grundplatte Uo¹ ist ähnlich gestaltet, jedoch wird jetzt im Versuch ein Innendurchmesser d der ringförmigen Einfassung ^ο1· verändert und in Verbindung mit Fig.

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festgestellt, welchen Einfluß dieo auf die Empfindlichkeit hat. Auch hier führt die Änderung des Innendurchmessers d kaum zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit im Frequenzbereich um Ua kHz, über das gesamte Frequenzband hinweg wird jedoch die größte Empfindlichkeit erzeilt, wenn d = 13,5 mm groß ist.

Die in Fig. 18 und 19 dargestellten Grundplatten-Ausführungen *4o' besitzen ein mittleres Stützteil ^ο3 mit Absatz UoU und bilden so ein bevorzugtes Ausführe, rungsbeispiel der Erfindung. Bei der Ausführung von Fig. 18 wurde versuchsweise die mit H bezeichnete Tiefe der Ringnut ^ο5 zwischen 1,5 mm (Kurve a) und 3,5 mm (Kurve e) verändert. Uie sich aus Flg. 22, ωα diese Kurven aufgetragen sind, entnehmen IBBt, iijird jetzt eine Verbesserung im Frequenzbereich um Ua kHz erzielt, wogegen mit zunehmender Tiefe H der Ringnut **o5 die Empfindlichkeit im niedrigen Frequenzbereich mehr oder weniger ansteigt. Bei dem Auaführungsbeispiel von Fig. 19 wird der Innendurchmesser D des 2q umlaufenden Vorsprungs UaG zwischen 13,5 mm und 15,3 mm verändert. Wie die zugehörige Fig. 23 zeigt, erhöh* sich die Empfindlichkeit im Frequenzbereich um ^o kHz, und ferner steigt die Empfindlichkeit im gesamten Frequenzband an, je größer dieser Innendurchmesser d wird.

Aus diesen Versuchen geht einwandfrei hervor, daß eine topfformige zylindrische Grundplatten-Ausführung gem. Fig. 18 und 19 zu einer Empfindlichkeitssteigerung über das gesamte Frequenzband führt, verglichen mit Fig. 16 oder 17. Die vorstehend beschriebenen Versuche gestatten die Herstellung einer optimal gestalteten

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tapff iJrmiqen zylindrischen Πι undpin t; te für einnn erfindungsgemäOcn Ultroschalluandler.

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Claims

11. Oktober 1978 -Japan - No. 139803/1978

PATENTANSPRÜCHE

Ultraschallwandler mit einem zusammengesetzten Schwinger aus einem piezoelektrischen Zweielementen-Kristallschwinger und einem damit verbundenen zusätzlichen Resonator aus Kunstharz und mit einer Frequenzgangkennlinie, bei der in einem unteren Frequenzbereich eine durch eine Transversalschwingung verursachte erste Resonanzstelle sowie in einem oberen Frequenzbereich eine durch eine Biegeschwingung hervorgerufene zweite Resonanzstelle in Relation zu einer bestimmten mittleren Frequenz vorhanden sind,

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gekennzeichnet durch

ein isolierendes Basiselement (40) zur Aufnahme des zusammengesetzten Schwingers (10), und

- ein zwischen dem Zweielementen-Kristallschujinger (11) und dem isolierenden Basiselement (.UO) angeordnetes elastisches Element (101) zum Angleichen der ersten Resonanzstelle.

2. Ultraschalluandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (101) ringförmig gestaltet ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige elastische Element (101) einen Spalt (101a) aufweist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß an dem isolierenden Basiselement (40)mindestens ein Anschlußelement (91, 92) angeordnet und über eine Leitung (111; 112) mit dem Zmeielementen-Kristallschwinger (11) elektrisch verbunden ist; und daß eine zwischen der Leitung und dem Zweielementen-Kristallschuiinger gebildete elektrische Verbindungsstelle in dem Spalt (101a) des ringförmigen elastisehen Elementes (1D1) angeordnet ist.

5. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element durch ein Silikon-Klebemittel gebildet ist.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (101) aus Silikongummi besteht.

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7. Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Basiselement (i»D) einen Vorsprung (**06) aufweist, der so geformt ist, daß sein Außendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser, und seine Höhe etwas kleiner als die Dicke des ringförmigen elastischen Elementes (101) ist; und daß das ringförmige elastische Element (101) auf den Vorsprung C+06) aufgepaßt und danach der Zweielementen-Kristallschwinger (11)des zusammengesetzten Schwingers (10) auf dem elastischen Element angebracht ist.

8. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schallwandlerfläche des aus Kunstharz hergestellten zusätzlichen Resonators (12) ein Ansatz (122) angeformt ist.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (122) die Farm einer zylindrischen Säule hat.

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Ansatzes (122) so gewählt ist, daß er etwa der fundamentalen Schwingungsknotenpunkt-Kreislinie der zweiten Resonanzstelle des zusammengesetzten Schwingers (10)gleicht.

11. Ultraschallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Basiselement

im wesentlichen die Form eines offenen zylindrischen Topfes hat und der zusammengesetzte Schwinger (1G) über das elastische Element (101) mit dem Bodenteil des Basiselementes verbunden ist.

12. Ultraschallwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das topffürmigc zylindrische

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Basiselement (^D) eine Umfangswandung (i»Q1) aufweist, deren Innendurchmesser zum offenen Ende hin durch einen Absatz (ί*0*Ο in der Weise vergrößert ist, daß von der Uandleroberflache des zusammengesetzten Schuiingers (1G) ausgehende oder auf diese auftreffende Ultraschallwellen gebündelt werden.

13. Ultraschalluandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem vom Boden zur Öffnung des topfförmigen zylindrischen Basiselementes C+0) aufstrebenden Stüteteil C+03) und der Umfangswandlung CtOI) eine Ringnut iküS) gebildet ist, und daß der zusammengesetzte Schwinger (1D) über das elastische Element (1G1) an dem freien Ende des zylindrischen Stützteile (i»Q3) angebracht ist.

1*». UltraschBllschwinger nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einem das topfförmige zylindrische isolierende Basiselement C+D) abdeckenden Metallgehäuse (6) eine der Schallwandlerfläche des zusammengesetzten Schwingers (1D) gegenüberliegende Öffnung (61) angeordnet und durch ein Abschirmelement (7) verschlossen ist.

15. Ultraschallwandler nach Anspruch *\k, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (7) durch sanduiichartiges Einbringen zwischen dem Ende der Umfangswandlung (i»D1) des isolierenden Basiselementes C+0) und dan Metallgehäuse (6) befestigt ist.

030013/0932