DE3505872C2 - Ultraschallwandler mit in einem geschlossenen Gehäuse angeordnetem piezoelektrischen Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen als Näherungsschalter bzw. Meß­ fühler einsetzbaren Ultraschallwandler, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Ein bekannter Ultraschallwandler dieser Art (US-A-3 555 311) weist ein mehrteiliges topfförmiges Innengehäuse aus Metall auf, in dessen Öffnung ein piezoelektrisches Element sitzt. Der Boden dieses Innengehäuses weist einen mittigen Durchbruch auf, durch den in einer eingesetzten Hülse zwei Kontaktstifte, welche an das piezoelektrische Feld angeschlossen sind, aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Das Innengehäuse ist allseitig mit Kunststoff beschichtet bzw. von einem einstückigen Kunst­ stoffgehäuse umschlossen, wobei der Kunststoff eine schwingungs­ übertragend mit dem piezoelektrischen Element verbundene und diese tragende Oberplatte bildet. Im Bereich der unteren Platte des Innengehäuses umschließt der Kunststoff mit einer ringwulst­ förmigen Ausstülpung die vorerwähnte Hülse. Das Innengehäuse aus Metall bildet zusätzlich einen Reflektor.

Es ist ein anderer Ultraschallwandler bekannt (FR-A-2 325 266 bzw. DE 25 41 492 B2), bei welchem zur Verbesserung des Auflösungsvermögens bei der Vornahme von Ultraschall-Entfernungsmessungen und somit zur Verringerung der Nachhallzeit eine Oberplatte aus geschlossen- porigem Kunststoff verwendet wird. An der das piezoelektrische Element tragenden Seite der Oberplatte ist ein sogenannter "Belastungsring" angeordnet, der auch als Gehäuse ausgebildet sein kann, ohne daß jedoch hierzu etwas näheres ausgeführt wäre. In Relation zur Oberplatte muß der Belastungsring ein hohes Gewicht aufweisen und ist in einem Ausführungsbeispiel aus Aluminium gebildet, also einem Material mit erheblich höherem spezifischen Gewicht als der offenporige Kunststoff der Oberplatte, dessen Porengröße zwischen 30 µ und 125 µ liegen soll.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ultraschallwandler dahingehend auszubilden, daß bei geringer Nachhallzeit eine gut handhabbare Dosenform gegeben ist, wie sie bei Näherungs­ schaltern bzw. Meßfühlern wünschenswert ist, und daß der Zugang zum piezoelektrischen Element gut möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei wird das zu diesem Zweck an sich bekannte Oberplatten­ material auch als Material der zylindrischen Wand des inso­ weit einstückigen Gehäuses verwendet und mit Poren versehen, die nicht mehr durch die untere und obere absolute Größe, sondern durch die untere und obere mittlere Größe definiert sind, welche zwischen 50 µ und 100 µ liegt. Ferner wird die zylindrische Wand so ausgebildet, daß sie nicht, wie jene der gattungsbildenden Druckschrift, einen eingezogenen Boden aufweist, sondern an ihrer der Oberseite abgekehrten Seite völlig offen ausgebildet und durch eine großflächige, innerhalb ihres freien Randes liegenden Abdeckplatte verschlossen. Das Gehäuse besteht also aus einem einstückig topfförmigen Kunststoffteil und dessen glattem Deckel.

Bekannte Ultraschallwandler haben sich als schlecht geeignet zur Verwendung als Näherungs­ schalter oder Meßfühler für die Ermittlung des Abstandes von einem Substrat erwiesen, teils weil sie eine zu lange Impuls-Ab­ fallzeit aufweisen, teils weil sie schlecht handhabbar sind. Keinen dieser Nachteile weist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler auf.

Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn das Gehäuse im wesentlichen aus porösem Kunststoff gebildet ist, etwa aus Epoxidharz, sowohl die Impulsanstiegzeit als auch die Impulsabfallzeit kurz werden, wie in Fig. 11 gezeigt. Außerdem ergibt sich auch eine Verbesserung in der Intensität der Ausgangsspannung, die in Abhängigkeit vom Empfang einer Ultraschallwelle abgegeben wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht, welche schematisch einen der Anmelderin intern bekannten Ultraschall­ wandler zeigt,

Fig. 2 die Ansicht eines Aufrisses, der längs der Linie II-II in Fig. 1 vorgenommen wurde,

Fig. 3 ein Diagramm, welches eine Impulscharakteristik zeigt,

Fig. 4 ein Aufriß ähnlich Fig. 2, der schematisch ein wei­ teres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung zeigt,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, wobei ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist,

Fig. 6 eine Perspektivansicht, die schematisch ein elasti­ sches Metallrohr zeigt, welches in das Gehäuse zum Verringern der Reflexions- bzw. Nach­ hallzeit eingeführt werden soll,

Fig. 7 ein Aufriß - ohne Darstellung des rohrförmigen Teils 18 der Fig. 4 bis 6 -, der schematisch eine Variante der Oberplatte des Wandlers nach der vorliegenden Erfin­ dung zeigt,

Fig. 8 bis 10 jeweils ein Teilaufriß, die schematisch Alternativausführungen der Fig. 7 zeigen,

Fig. 11 ein Diagramm, welches die Impuls­ charakteristik des Wandlers der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ein piezoelektrisches Element 12 mit Elektroden 12a und 12b ist zur Bildung eines integrierten Bauteils an die Innenfläche einer Oberplatte 11a des Gehäuseteils 11 ge­ klebt (Fig. 1, 2). Das Gehäuseteil 11 weist außer der Oberplatte 11a eine zylindrische Seiten­ wand 11b auf, welche einstückig mit der Oberplatte 11a ausgeführt ist. Der offene Endabschnitt des Gehäuseteils 11 ist mit einer Abdeckplatte 13 versehen, an welcher ein Paar Anschlußstifte 14a und 14b angebracht sind. Leitungs­ drähte 15a und 15b erstrecken sich zwischen der Elektrode 12a und dem Anschlußstift 14a bzw. zwischen der Elektrode 12b und dem Anschlußstift 14b. Die Abdeckplatte 13 ist mit einer Isolierschicht 16 überdeckt. Mit 17 ist eine Isolierhülse bezeichnet, die vorgesehen ist, weil die Abdeckplatte elektrisch leitend ausgebildet ist. Abdeckplatte 13 und Isolierschicht bilden eine untere Platte innerhalb des freien Randes des Gehäuseteils 11.

Sowohl die Oberplatte 11a als auch die Seitenwand 11b sind aus porösem Kunststoff gebildet. Der Begriff "poröser Kunststoff", der hier verwendet wird, soll ein syntheti­ sches Polymermaterial umfassen, das eine große Anzahl geschlossener Zellen aufweist, die innerhalb des Polymer­ materials verteilt sind. Beispielhaft für geeignete poröse Kunststoffe sind synthetische Polymermaterialien, in welchen eine große Anzahl von Glas-Mikroballons ver­ teilt ist, sowie aufgeschäumte, synthetische Polymerma­ terialien, die unter Verwendung von Aufschäummitteln in herkömmlicher Weise hergestellt sind. Der poröse Kunststoff hat einen mittleren Porendurchmesser, der zwischen 50 und 100 µ liegt. Beispielhaft für geeignete Polymermaterialien sind Epoxidharze, Polyolefinharze, Styrolharze, Acrylharze und Vinylchloridharze.

Weil der Gehäuseteil 11 aus porösem Kunststoff geformt ist, werden die Im­ puls-Anstiegs- und Abfallzeit verkürzt, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Verringerung der Impuls- Abfallzeit führt vorteilhafterweise zur Verringerung der Nachhallzeit. Da außerdem die Oberplatte 11a eine ver­ hältnismäßig große Luftmenge enthält, nähert sich die akustische Impedanz der Oberplatte 11a jener von Luft. Deshalb sind die Anpaßbedingungen zwischen der Oberplatte 11a und der Umgebungsluft verbessert, was zu einer Ver­ besserung beim Ansprechverhalten führt, das heißt, es ist ein intensiverer Ausgang nach dem Empfang einer Ultra­ schallwelle gleichbleibender Intensität erzielbar.

Es liefert beispielsweise ein Ultraschall­ wandler, dessen Gehäuse aus rostfreiem Stahl gebildet ist, eine Impulsanstiegszeit von 0,5 ms, eine Impulsab­ fallzeit von 2,0 ms und eine Ausgangsspannung von 0,4 V. Ein Ultraschallwandler, dessen Gehäuse aus nicht porösem Epoxidharz gebildet ist, liefert eine Impulsan­ stiegszeit von 0,2 ms, eine Impulsabfallzeit von 1,2 ms und eine Ausgangsspannung von 2,6 V. Im Fall eines Ultraschallwandlers, bei welchem das einstückige Gehäuseteil 11 in seiner Gesamtheit aus einem Epoxidharz gebildet ist, in welchem eine große Anzahl von Glas-Mikroballons verteilt ist, die einen Durchmesser von 50 bis 100 µ aufweisen, ergibt sich eine Impulsanstiegs- und -abfallzeit von 0,2 bis 1,2 ms, und die Ausgangsspannung beträgt 6,4 V.

Die Dicke der Oberplatte 11a des Gehäuseteils 11 be­ trägt etwa 1/4 der Wellenlänge der Schallgeschwindig­ keit der Oberplatte 11a, um ein bestes Ansprechverhal­ ten zu erreichen.

Es zeigt beispielsweise der Ultraschallwandler, dessen Gehäuseteil 11 aus porösem Kunststoff mit einer akusti­ schen Impedanz von 1 × 3000 g/mc s geformt ist, eine Impulscharakteristik, wie sie durch die Linie 20 in Fig. 3 gezeigt ist.

Wenn nun ausgehend von einem solchen, der Anmelderin intern bekannten Ultraschallwandler dessen Nachhallzeit weiter verringert werden soll, so kann eine solche Ver­ ringerung der Nachhallzeit (oder Impuls-Abfallzeit) er­ findungsgemäß dadurch bewirkt werden, daß man ein rohr­ förmiges Teil oder Teile an dem Außen- und/oder Innen­ umfang der zylindrischen Seitenwand des Wandlers vor­ sieht (Fig. 4, 5), wobei das rohrförmige Teil eine höhere akustische Impedanz aufweist als die zylindrische Seitenwand. Ein rohrförmiges Teil 18 ist innerhalb eines Gehäuses vorgesehen und mit dem Innenumfang seiner zylindrischen Seitenwand 11b verklebt (Fig. 4). In einer Alternativausführung, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist das rohrförmige Teil 18 am Außenumfang der Sei­ tenwand 11b angeklebt. Durch die Anordnung des rohrför­ migen Teils 18 wird die schwingungsdämpfende Wirkung an der Seite des Schwinggehäuses verbessert, um die Nachhallzeit zu verringern. Die Befestigung des rohrförmigen Teils 18 an der Seitenwand 11b kann durch irgendwelche bekannten Mittel, etwa durch Kleber, bewirkt werden. Wenn das rohr­ förmige Teil 18 innerhalb des Gehäuses 11 vorgesehen ist, dann ist es zweckmäßig, das rohrförmige Teil als elasti­ sches Rohr auszubilden, und zwar allgemein ein Metallrohr, welches einen Schlitz 18a aufweist, der sich parallel zur Achse des Rohres erstreckt (Fig. 6). Das Rohr 18 weist einen größeren Außendurchmesser als den Innendurchmesser der Seitenwand 11b in freiem Zustand auf. Durch Einsetzen des Rohrs 18 in das Innere des Gehäuses steht das Rohr 18 in Druckberührung mit der Innenfläche der zylindrischen Seitenwand 11b. Wenn in ähnlicher Weise das rohrförmige Teil 18 die Gehäusewand 11b umgeben soll, soll ein Gummirohr benutzt werden, das einen kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der zylindrischen Seitenwand 11b aufweist. Durch passendes Aufsetzen des Gummirohres 18 rund um den Umfang der Seitenwand 11b wird das Rohr in Druckberührung mit der Seitenplatte 11b gehalten. Wenn das elastische rohrförmige Teil verwendet wird, ist die Seitenwand 11b stets den Kräften in der Richtung senkrecht zur Achse der zylindri­ schen Seitenwand 11b ausgesetzt und an der Schwin­ gung gehindert.

Gemäß Fig. 7-10 ist das piezoelektri­ sche Element in der Form einer scheibenförmigen Platte 12 konzentrisch an der Oberplatte 11a angeordnet, und die Oberplatte 11a, weist einen ringförmigen Abschnitt auf, der neben und längs dem Außenumfang des piezo­ elektrischen Elements angeordnet ist und an welchem die Dicke der Oberplatte plötzlich derart geändert ist, daß die Querschwingung, die vom Umfang des piezoelektrischen Elements ausgeht, am ringförmigen Abschnitt absorbiert oder abgemildert werden kann.

Der ringförmige Abschnitt ist ein Grenzbereich eines erhabenen Abschnitts 11c, der von der Außenfläche (Fig. 7) und der Innenfläche der Oberplatte 11a zumindest einer dieser Flächen vorgesehen.

Der ringförmige Abschnitt kann auch eine Ringnut sein, die von Außen- und Innenoberfläche der Oberplatte 11a an mindestens einer dieser Flächen vorgesehen ist (Fig. 9, 10). Eine Möglich­ keit einer Ringnut 11c ist in Fig. 8 dargestellt. Sie reicht von dem erhabenen Abschnitt oberhalb des piezoelektrischen Elementes bis in den Bereich der zylindrischen Wand 11b.

Vorzugsweise sind die Höhe des erhabenen Abschnitts 11c und die Tiefe der Ring­ nut 11d nicht größer als 1/3 der Dicke D der Oberplatte 11a, um eine Verringerung im Ansprechverhalten zu verhindern.

Claims (4)

1. Als in einem geschlossenen Gehäuse angeordneter Ultraschallwand­ ler ausgebildeter Näherungsschalter bzw. Meßfühler mit einem zylindrischen, unter Verwendung von Kunststoff gefertigten Gehäuse aus einer Oberplatte, mit deren In­ nenseite ein piezoelektrisches Elementes verbunden ist, mit einer zu der Oberplatte parallelen unteren Platte, durch die Anschlüsse der Elektroden des piezoelektri­ schen Elementes in der Form von gegeneinander isolier­ ten Kontaktstiften aus dem Gehäuse herausgeführt sind und mit einer zylindrischen Wand zwischen Ober- und unterer Platte, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberplatte (11a) und zylindrische Wand (11b) einstückig aus einem aufge­ schäumten Polymerharz mit einem mittleren Porendurch­ messer zwischen 50 und 100 µ, wobei die Oberplatte (11a) eine verhältnismäßig große Luftmenge zur Annähe­ rung ihrer akustischen Impedanz an jene der Umgebungs­ luft und eine Dicke von etwa 1/4 der Wellenlänge ihrer Schallgeschwindigkeit aufweist, bestehen, wobei ein rohrförmiges Teil (18), das aus einem Material geformt ist, dessen akustische Impedanz größer ist als jene der zylindrischen Seitenplatte (11b), an mindestens einer von Innen- und Außenumfangsfläche der zylindrischen Seitenwand zum Verringern der Nachhallzeit vorgesehen ist und wobei der untere Abschluß des Gehäuses durch eine untere Platte (13, 16) erfolgt, die als selbstän­ diges Element innerhalb des freien Randes der zylindri­ schen Wand liegt und eine außen mit einer Isolier­ schicht (16) versehenen Abdeckplatte (13) ist, durch die die Kontaktstifte (14a, 14b) hindurchgeführt sind, wobei einer von ihnen durch eine eingesetzte Isolier­ buchse (17) gegenüber der Abdeckplatte isoliert ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil ein elastisches Rohr (18) auf der Außenseite der Wand (11b) ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil als mit einem Längsschlitz (18a) versehenes Metallrohr (18) an der Innenseite der Wand (11b) anliegt.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberplatte (11a) eine in den Bereich der zylindrischen Wand (11b) hineinrei­ chende Ringnut aufweist, die einen erhabenen Abschnitt (11c) der Innenseite der Oberplatte umgibt, an dem koaxial das piezoelektrische Element (12) befestigt ist.