DE3815359A1

DE3815359A1 - Sender/empfaenger eines ultraschall-entfernungsmessgeraetes

Info

Publication number: DE3815359A1
Application number: DE3815359A
Authority: DE
Inventors: Ichizo Itoh; Hiroshi Owada; Toru Fujii
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1988-05-05
Publication date: 1988-11-17
Also published as: US4825116A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sender/Empfänger eines Ultraschall-Entfernungsmeßgerätes, welcher eine Ultraschallwelle zu einer zu messenden Oberfläche hin sendet beziehungsweise überträgt und die hiervon reflektierte Ultraschallwelle empfängt, um den Abstand der Meßoberfläche von der Basis zu messen, beispielsweise aufgrund der Zeitspanne, die von dem Absenden der Ultraschallwelle bis zum Empfang der reflektierten Welle verstreicht.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik, welche bislang im allgemeinen verwendet wurde.

In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 a einen zylindrischen piezoelektrischen Vibrator aus keramischem Material. Die Bezugsziffer 2 a bezeichnet ein Kunststoffgehäuse, welches auch als akustische Anpassungsschicht dient. Die Bezugsziffer 3 a bezeichnet ein Dämpfungsmaterial zum Dämpfen des piezoelektrischen Vibrators 1 a. Die Bezugsziffer 4 a bezeichnet einen Reflektor, um den Verlauf der vom piezoelektrischen Vibrator 1 a gesendeten und empfangenen Ultraschallwellen zu ändern, um die Ultraschallwellen zu richten bzw. zu bündeln.

Im folgenden wird die Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung gemäß dem Stand der Technik erläutert.

(A) Senden der Ultraschallwelle

Wenn an den piezoelektrischen Vibrator 1 a elektrische Impulse angelegt werden, so bewirkt der piezoelektrische Vibrator 1 a atmungsartige Vibrationen in radialer Richtung, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird, welche bezüglich des äußeren Umfangsabschnitts des piezoelektrischen Vibrators 1 a in senkrechter Richtung durch die Luft wandert. Diese Ultraschallwelle wird bei ihrer Wanderung mittels des Reflektors 4 a in ihrer Richtung geändert, um in der Darstellung gemäß Fig. 1 nach unten zu wandern, wobei sie den in Fig. 2 skizzierten ringförmigen Querschnitt einnimmt.

(B) Emfpang der Ultraschallwelle

Die Ultraschallwelle, welche den Ultraschall-Sender/ Empfänger von der in Fig. 1 dargestellten unteren Seite betritt, wird mittels des Reflektors 4 a so konvergiert, daß er durch das Gehäuse 2 a hindurchtritt und den äußeren Umfangsabschnitt des piezoelektrischen Vibrators 1 a deformiert. Der piezoelektrische Vibrator 1 a erzeugt zwischen Elektroden ein elektrisches Feld, dessen Intensität der Größe der Deformation entspricht.

Beispiele der praktischen Verwendung des auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip beruhenden Sender/Empfängers umfassen einen Entfernungsmesser, einen Niveaumesser und dergleichen. Bei diesen Instrumenten sind die folgenden Charakteristika gefragt:

(1) Hochdämpfende Eigenschaften

Ein Ultraschall-Entfernungsmeßgerät ist ein Instrument, bei dem eine Ultraschallwelle zu einem Objekt abgestrahlt wird und die Zeitspanne t von Aussenden der Ultraschallwelle bis zur Ankunft der reflektierten Welle vom Objekt gemessen wird, um den Abstand L des Objekts entsprechend der folgenden Gleichung zu erhalten:

L = ½ct (1)

c: Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium

Nachdem jedoch der keramische piezoelektrische Vibrator 1 a im allgemeinen eine hohe Trägheit aufweist, selbst nachdem die in Fig. 3(A) dargestellten elektrischen Antriebsimpulse a verschwunden sind, findet weiterhin eine Dämpfungsvibration b (im folgenden "Restvibration" b genannt) statt, wie dies in Fig. 3(b) gezeigt ist. Wenn daher der Abstand zu dem zu messenden Objekt kurz ist, so kann die reflektierte Welle c am Sender/Empfänger ankommen, während nach wie vor Restvibration b vorhanden ist, wie dies in Fig. 3(C) gezeigt ist, so daß es nicht möglich ist, die beiden Wellen voneinander zu trennen und zu unterscheiden. In anderen Worten ist es schwierig, eine "Kernschußweite" zu messen.

Wenn demgegenüber der Abstand zu einem zu messenden Objekt groß ist, so ist die Amplitude der reflektierten Welle extrem klein, wie dies in Fig. 3(D) gezeigt ist, und es ist daher erforderlich, die Spannung des empfangenen Signals beträchtlich zu verstärken. Nachdem bei dieser Verstärkung die elektromotorische Kraft bezüglich der Restvibration b ebenfalls verstärkt wird, ist es, um den Nachweis der Restvibration b zu verhindern, erforderlich, einen Sperrbereich (tote Zone) e vorzusehen, so daß der Nachweis der reflektierten Welle c verhindert wird, bis die Amplitude der Restvibration b kleiner wird als diejenige der reflektierten Welle c, wie dies in Fig. 3(E) gezeigt ist.

Unter den vorgenannten Umständen wird es dann, wenn das Entfernungsmeßgerät dazu ausgebildet ist, große Entfernungen zu messen, nicht möglich, kurze Entfernungen zu messen, während dann, wenn das Gerät dazu ausgelegt ist, in der Lage zu sein, kurze Abstände zu messen (d. h. die tote Zone zu verkürzen), es schwierig wird, große Entfernungen zu messen, bei denen die Amplitude der reflektierten Welle relativ klein ist.

Um diese Probleme zu vermeiden, ist es allgemeine Praxis, den piezoelektrischen Vibrator mittels des in Fig. 1 dargestellten Dämpfungsmaterials 3 a zu dämpfen. Diese übliche Praxis beinhaltet jedoch die beiden folgenden Probleme:

a) Es ist sehr schwierig, ein geeignetes Dämpfungsmaterial zu finden, welches einen zufriedenstellenden bzw. geeigneten Dämpfungseffekt über einen großen Temperaturbereich zeigt. Insbesondere ändern die meisten viskosen Substanzen ihre physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur in erheblichem Umfang. Daher ist es in der Praxis nicht einfach, ein Dämpfungsmaterial zu finden, welches die notwendigen und ausreichenden Dämpfungseigenschaften über einen weiten Temperaturbereich zeigt, von niedriger Temperatur bis hoher Temperatur.
b) Dämpfung mittels eines Dämpfungsmaterials anzuwenden heißt, die Vibration zu unterdrücken und dies führt zu einer Verminderung des Schalldrucks zum Zeitpunkt der Übertragung bzw. des Sendens.

(2) Hochleistungs-Sende/Empfangs-Charakteristika

Vom Gesichtspunkt der Energieeinsparung und der Sicherheit her ist es vorzuziehen, wenn das Senden und der Empfang des Schalls mit möglichst geringer elektrischer Energie bewirkt wird.

Beim Ultraschall-Sender/Empfänger gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1 ergeben sich jedoch die folgenden zwei Probleme:

a) Nachdem die Dämpfung mittels des Dämpfungsmaterials 3 a erfolgt, ist es, um die gewünschte, vom Vibrator erzeugte Vibrationsamplitude zu erhalten, erforderlich, eine beträchtlich größere Antriebsenergie anzulegen, als in dem Fall, in dem nur der piezoelektrische Vibrator 1 a alleine vorgesehen ist, beispielsweise eine zehnmal so große Antriebsenergie, das heißt, in Spannung ausgedrückt, ungefähr 1 kV.
b) Nachdem die Schallimpedanz (ρ c; ρ: Dichte; c: Schallgeschwindigkeit) des piezoelektrischen Vibrators 1 a ungefähr 5 Größenordnungen größer ist als die Schallimpedanz der Luft, ist die Energie, welche in die Luft übertragen wird, wenn der piezoelektrische Vibrator 1 a vibriert, extrem gering. Um dieses Problem zu überwinden, ist es gängige Praxis, Schall in die Luft über das Gehäuse 2 a zu entlassen, welches als akustische Anpassungsschicht dient, die aus einem Kunststoffmaterial besteht, welches akustisch weicher (kleinere Schallimpedanz ρ c) ist als der piezoelektrische Vibrator 1 a. Wenn die Dicke der Kunststoffschicht 2 a so gewählt wird, daß sie eine Viertel Wellenlänge beträgt, so erreicht die Energie-Fortpflanzungswirksamkeit ihr Maximum. Wenn sich jedoch die Schallgeschwindigkeit relativ zum verwendeten Kunnststoffmaterial in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ändert, so verschiebt sich die äquivalente Dicke der Kunststoffschicht von der Viertel-Wellenlänge weg, wodurch die Schallfortpflanzungswirksamkeit vermindert wird. Demnach führt das Vorhandensein der Anpassungsschicht 2 a zu einer Änderung der Sende/Empfangs-Charakteristika in Abhängigkeit von der Temperatur.

(3) Einfacher Aufbau

Wie weiter oben beschrieben, erfordert der in Fig. 1 gezeigte Ultraschall-Sender/Empfänger nach dem Stand der Technik zusätzlich zu dem piezoelektrischen Vibrator 1 a weitere Elemente wie beispielsweise das Dämpfungsmaterial 3 a und die akustische Anpassungsschicht 2 a, um seine Charakteristika nahe an die Idealbedingungen heranzuführen. Hieraus folgt, daß die Charakteristika bei Temperaturänderungen und dergleichen in großem Umfang durch diese zusätzlichen Elemente beeinflußt werden.

Idealerweise ist es daher vorzuziehen, das Erfordernis für solche zusätzlichen Elemente zu eliminieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Sender/Empfänger zu schaffen, welcher einen vereinfachten Aufbau, hochdämpfende Charakteristika und eine hohe Wirksamkeit bzw. Effizienz aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 bis 3 einen bislang verwendeten Stand der Technik,

Fig. 4 bis 10 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 5 und 6 einen piezoelektrischen Polymerfilm zeigen,

Fig. 7 den piezoelektrischen Polymerfilm im Detail zeigen, und

Fig. 8 bis 10 die Betriebsweise des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigen;

Fig. 11 bis 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 11 bis 13 das Prinzip des zweiten Ausführungsbeispiels zeigen,

Fig. 14 den allgemeinen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt,

Fig. 15 ein Detail eines wesentlichen Teils des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt, und

Fig. 16 eine perspektivische Explosionsdarstellung des wesentlichen Teils gemäß Fig. 15 zeigt;

Fig. 17 bis 22 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 19 und 20 eine erste Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18 zeigen, und

Fig. 21 und 22 eine zweite Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18 zeigen;

Fig. 23 bis 28 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 24 die Anordnung eines wesentlichen Teils des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 23 zeigt,

Fig. 25 die Betriebsweise des wesentlichen Teils gemäß Fig. 24 zeigt, und

Fig. 26 bis 28 Modifikationen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 23 zeigen.

Fig. 4 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen zylindrischen piezoelektrischen Polymerfilm. Der piezoelektrische Polymerfilm 1 wird zunächst umfangsmäßig ausgerichtet, wie in Fig. 5 dargestellt und dann in eine zylindrische Gestalt geformt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Im vorliegenden Fall wird Polyvinyliden- Fluorid (PVDF) verwendet. Die Bezugsziffern 11 und 12 bezeichneten Elektroden, die an beiden Oberflächen des piezoelektrischen Polymerfilms 1 vorgesehen sind. Die Bezugsziffern 111 und 112 bezeichnen Anschlußdrähte, die mit ihren einen Ende an der entsprechenden Elektrode 11 bzw. 12 angeschlossen sind. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen säulenartigen Träger, welcher den piezoelektrischen Polymerfilm 1 an dessen oberen und unteren Endflächen derart hält, daß die atmungsartige Vibrationsbewegung des Films 1 sowenig wie möglich behindert wird. Der Träger 2 ist aus Plastikmaterial mit gegenüber Witterungseinflüssen überlegenen Widerstandseigenschaften wie beispielsweise Teflon, Vinylchlorid oder dergleichen gefertigt. Die Bezugsziffer 21 bezeichnet eine Ausnehmung, die in der Umfangsoberfläche des Trägers 2 ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 so zusammenwirkt, daß sie eine Kammer 3 definiert. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet einen konischen Reflektor, welcher an seiner oberen Seite an einem Ende des piezoelektrischen Polymerfilms 1 befestigt ist, um den gesendeten und empfangenen Ultraschallwellen eine Richtung bzw. Bündelung zu geben. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine Druckausgleichsbohrung, die im Träger 2 vorgesehen ist, um zwischen der Kammer 3 und dem äußeren eine Verbindung zu schaffen.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, welche den piezoelektrischen Polymerfilm und die diesem zugeordneten Elemente im Detail zeigt.

Die piezoelektrische Polymerfilm 1 weist Elektroden 11 und 12 auf, die an dessen oberer und unterer Seite (wie in Fig. 7 gesehen) mittels Klebeschichten 101 bzw. 102 befestigt sind, wobei die Elektroden 11 und 12 mit entsprechenden Schutzfilmen 103 und 104 abgedeckt sind.

Anschlußdrähte 111 und 112 werden von den Elektroden 11 bzw. 12 herausgeführt. Die Anschlußdrähte 111 und 112 sind mit entsprechenden Isolierbeschichtungen 113 bzw. 114 bedeckt.

Die Schutzfilme 103 und 104, die beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen bestehen, sind mittels eines Klebstoffs auf die Elektroden 11, 12 aufgeklebt. Die entsprechenden Umfangs-Endflächen 13 der Schutzfilme 103 und 104 sind ebenfalls mittels eines Klebstoffs zusammengeklebt.

Die Elektroden 11 und 12 können auch direkt auf dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 beispielsweise durch Aufspratzen, Aufdampfen oder Beschichten ausgebildet sein.

Es ist anzumerken, daß die Elektroden 11 und 12 und die Anschlußdrähte 111 und 112 miteinander mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs oder Lötmittels verbunden sind.

Wenn der vorstehend beschriebenen Anordnung elektrische Impulse dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 zugeführt werden, so expandiert und kontrahiert der Film 1 in Richtung seiner Ausrichtung α. Nachdem jedoch der piezoelektrische Polymerfilm 1 eine zylindrische Gestalt einnimmt, wird die Expansions- und Kontraktionsbewegung des Films 1 in eine atmungsartige Vibrationsbewegung in radialer Richtung umgewandelt, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird. Der Verlauf der hieraus folgenden Ultraschallwelle wird mittels des Reflektors 4 so geändert, daß sie in der Ansicht gemäß Fig. 4 nach unten vorwärts schreitet und im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist.

Andererseits verursacht die Anwendung von äußeren Drücken auf den piezoelektrischen Polymerfilm 1, daß dieser sich expandiert und kontrahiert, wodurch zwischen den Elektroden 11 und 12 eine elektrische Spannung erzeugt wird.

Mit anderen Worten arbeitet der Ultraschall-Sender/Empfänger gemäß Fig. 4 ähnlich wie derjenige gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1.

Der piezoelektrische Polymerfilm 1 weist die folgenden vorteilhaften Merkmale auf:

(1) Die Schallimpedanz ist gering, so daß es leicht ist, eine Anpassung an Wasser, Luft oder dergleichen zu erhalten.
(2) Die Energiedämpfung innerhalb des Films ist groß, so daß ein Senden und Empfangen von Pulsen kurzer Dauer möglich ist.
(3) Nachdem der Polymerfilm flexibel ist, ist es einfach, ihn in der Form eines dünnen Filmes herzustellen und zu verarbeiten.

Werden diese vorteilhaften Merkmale wirksam eingesetzt, so wird die Vibration des Films in Längsrichtung in eine Vibration in radialer Richtung umgewandelt, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Wenn der Krümmungsradius, der Elastizitätskoeffizient und die Dichte des Films R, C ^E und ρ betragen, so kann die Resonanzfrequenz f₀ des Films wie folgt ausgedrückt werden:

Unter der Annahme, daß C ^E = 113 × 10⁹ (N/m²) und ρ = 1,8 × 10³ (kg/m³), ist es demnach möglich, ein Senden und ein Empfangen einer Ultraschallwelle von ungefähr 40 kHz zu bewerkstelligen, indem der Radius des Trägers 2 bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung mit 10 mm bemessen wird.

Die bei der Verwendung des piezoelektrischen Polymerfilms 1 erreichten Vorteile werden im folgenden insbesondere im Vergleich mit einem piezoelektrischen Vibrator aus keramischem Material verglichen.

(1) Sendebetrieb

a) Der absolute Wert des Schalldrucks, der in die Luft abgestrahlt wird, ist proportional der Geschwindigkeit v der Vibrationsquelle, vorausgesetzt, daß die Frequenz der Vibrationsquelle und die Strahlungsfläche konstant sind. Die Geschwindigkeit v ist proportional der Versetzung X der Vibrationsquelle, wenn die Frequenz konstant ist. Es wird nun die Konversionseffizienz betrachtet, das heißt die Beziehung zwischen der an den piezoelektrischen Polymerfilm 1 angelegten Spannung V und dessen Versetzung X.

Wenn zwischen die Elektroden 11 und 12, die an beiden Seiten des piezoelektrischen Polymerfilms 1 vorgesehen sind, eine Spannung V angelegt wird, so kann eine Längenzunahme Δ l des piezoelektrischen Polymerfilms 1 in dessen Orientierungsrichtung, das heißt eine Zunahme des äußeren Umfangs des Zylinders, entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden:

|Δ l/l | = |S | = d ₃₁ E = d × V/t (3)

wobei l die Länge ( = 2 π r; r = Radius) des piezoelektrischen Polymerfilms 1 ist, t die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms 1 und d ₃₁ die elektrostriktive Konstante des piezoelektrischen Polymerfilms 1.

Aus der Gleichung (3) ergibt sich, daß der Wert von Δ l ansteigt, wenn die elektrostriktive Konstante des piezoelektrischen Polymerfilms 1 ansteigt oder wenn die Dicke t abnimmt. Wenn der Wert von Δ l ansteigt, so steigt die Amplitude X der atmungsartigen Vibration des piezoelektrischen Polymerfilms 1 ebenfalls an.

Der Wert der elektrostriktiven Konstante d ₃₁ des piezoelektrischen Polymerfilms 1 ist im allgemeinen eine Größenordnung kleiner als derjenige des piezoelektrischen Vibrators 1 a aus Keramikmaterial, beispielsweise PZT. Die Dicke t des piezoelektrischen Polymerfilms 1 kann jedoch beträchtlich kleiner sein als diejenige des piezoelektrische Vibrator 1 a. Insgesamt ermöglicht der piezoelektrische Polymerfilm 1, daß ein großer Wert Δ l/l mit einer Effizienz erreicht werden kann, die ein Mehrfaches gegenüber derjenigen, die im Falle von PZT erreicht werden kann, beträgt.

Unter der Annahme, daß die elektrostriktive Konstante d ₃₁ und die Dicke t des piezoelektrischen Polymerfilms 10 × 10^-12 (C/N) bzw. 40 µm sind, und daß die entsprechenden Werte von PZT 100 × 10^-12 (C/N) bzw. 2 mm betragen, so ist der Wert Δ l/l im Falle des piezoelektrischen Films 5mal so hoch wie derjenige im Falle von PZT.

Insbesondere ist es im Falle des keramischen piezoelektrischen Vibrators aufgrund dessen relativ geringer Bruchfestigkeit unmöglich, einen zylindrischen Film mit einer Dicke in der Größenordnung von 10 µm zu bilden, während der piezoelektrische Polymerfilm 1 äußerst dünn gemacht werden kann und daher die relativ niedrige elektrostriktive Konstante d ₃₁ kompensieren kann.

b) Nachdem der piezoelektrische Polymerfilm 1 eine hochmolekulare Zusammensetzung ist, ist die Energiedämpfung innerhalb des Films 1 groß. Dies scheint ein verbesserter Dämpfungseffekt zu sein und daher ist es unnötig, eine Dämpfung mittels eines speziellen Dämpfungsmaterials 3 a zu erreichen, wie dies im Falle des Ultraschall- Sender/Empfängers gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist.

c) Der Vorteil b) ermöglicht es weiterhin, daß eine Verminderung der Amplitude der Vibration aufgrund des Dämpfungsmaterials 3 a vermieden wird (im Falle des Standes der Technik wird die Amplitude auf ungefähr ¹/₁₀ oder weniger reduziert). Wenn man diesen Vorteil in Zusammenhang mit dem Unterschied in der Effizienz, wie unter a) beschrieben, in Betracht zieht, so ist der Wert der Amplitude X, der erreicht wird, wenn die gleiche Spannung angelegt wird, einige 10 bis einige 100mal größer als derjenige gemäß dem Stand der Technik.

d) Die Energiedurchlässigkeit T vom Vibrator in die Luft ist wie folgt definiert:

wobei

Z₁die Schallimpedanz des Vibrators und Z₂die Schallimpedanz der Luft ist.

Wenn Z₁≈3 × 10⁶ (NS/m³) des piezoelektrischen Polymerfilms und Z₁≈30 × 10⁶ (NS/m³) von PZT und Z₂≈ 400 (NS/m³) von Luft in die o. g. Gleichung (4) eingesetzt werden, so erhält man folgende Beziehung:

wobei

T₁die Energiedurchlässigkeit vom piezoelektrischen Polymerfilm in Luft und T₂die Energiedurchlässigkeit von PZT in Luft ist.

Beim Stand der Technik, der PZT benutzt, wird die akustische Anpassungsschicht 2 a verwendet, um die niedrige Durchlässigkeit zu verbessern. Im Falle des piezoelektrischen Polymerfilms jedoch ist es möglich, Energie mit relativ hoher Effizienz fortzupflanzen, ohne daß die Verwendung einer solchen Einrichtung notwendig wäre.

(2) Empfangsbetrieb

a) Die offenendige Spannung V, welche zwischen den beiden Oberflächen des piezoelektrischen Polymerfilms 1 aufgrund der Kraft F, die von außen während der Aufnahme (in der Richtung der Orientierung des piezoelektrischen Polymerfilms 1) angewandt wird, erzeugt wird, läßt sich wie folgt ausdrücken:

|E | = |V/t | = g ₃₁ · ρ = g ₃₁ · F/l · t
|V | = g ₃₁ · F/l (5)

wobei

p die Deformation bzw. Spannung ist, l die Breite des piezoelektrischen Films g ₃₁ die Ausgangsspannungskonstante bzw. die Spannungskoeffizienten

Die Ausgangsspannungskonstante g ₃₁ des piezoelektrischen Polymerfilms 1 hat einen Wert, der ungefähr 10 bis 20mal so groß ist wie derjenige eines piezolelektrischen Vibrators aus keramischem Material, beispielsweise PZT. Daher kann mit dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 eine höhere Spannung V für das gleiche Kraftniveau F erhalten werden.

b) Der Vorteil, der sich aufgrund der Abwesenheit des Dämpfungsmaterials ergibt und in Zusammenhang mit der Beschreibung der Vorteile im Falle des Sendebetriebs beschrieben wurde, ergibt sich auch im Falle des Empfangs. Dementsprechend ist es auch im Falle des Empfangs möglich, die gesamte Effizienz auf ein Niveau zu steigern, welches um einige 10mal bis zu 200mal höher ist als diejenige gemäß dem Stand der Technik.

Als Ergebnis kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Funktions- und eine Sende/Empfangs-Effizienz, welche gleich oder höher derjenigen gemäß dem Stand der Technik, der einen keramischen Vibrator verwendet, bei einem Energieverbrauch erreicht werden, welcher ein Tausendstel oder weniger desjenigen gemäß dem Stand der Technik beträgt.

Im folgenden werden die Charakteristika eines experimentell erzeugten Ultraschall-Sende/Empfängergeräts anhand eines praktischen Ausführungsbeispiels erläutert.

Ein piezoelektrischer Polymerfilm 1 mit einer Dicke von 50 µm wurde an einem Träger 2 mit einem Radius von 10 mm und einer Höhe von 30 mm in einer solchen Weise befestigt, daß sowohl der obere als auch der untere Endabschnitt des Films 1 am Träger 2 über eine Breite von 2 mm haftete, um einen experimentellen Ultraschall- Sender/Empfänger zu erzeugen. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung beim Senden und beim Empfang bezüglich eines Objekts in einer Entfernung von 800 mm von der vorderen Oberfläche des Reflektors 4 wie folgt:

Sendebetrieb:120 dB (0 dB = 2 × 10^-4 µbar) Empfangsbetrieb:-30 dB (0 dB = 1 V/µbar)

Die vorstehend beschriebenen experimentellen Ergebnisse zeigen, daß der Ultraschall-Sender/Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung eine Gesamtempfindlichkeit des Sendens und des Empfangs aufweist, welche 500 bis 1000mal so hoch ist wie diejenige gemäß dem Stand der Technik.

Es sollte angemerkt werden, daß bei der Messung der Sendeempfindlichkeit die Steuerspannung des Antriebsstromkreises bei 10 Vp-p eingestellt wurde, und um die Reaktionskomponente aufgrund der kapazitiven Komponente des piezoelektrischen Polymerfilms 1 auszuschalten, wurden beide über eine geeignete Induktivität aneinander angepaßt.

Obwohl im Falle des vorstehend beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiels die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms 1 mit 50 µm gewählt wurde, kann der Film 1 dann, wenn er übermäßig dünn ist und in eine zylindrische Form gebracht ist, seine eigene Spannung, welche für das Senden und Empfangen erforderlich ist, nicht aufrechterhalten. Überdies wird die Herstellung des piezoelektrischen Polymerfilms 1 schwierig. Andererseits verringert sich dann, wenn der Film 1 übermäßig dick ist, die Sendeempfindlichkeit, wie sich aus der weiter oben aufgeführten Gleichung (3) ergibt.

Werte, die für den praktischen Gebrauch geeignet sind, liegen im Bereich zwischen 25 und 100 µm.

Die grafische Darstellung gemäß Fig. 9 zeigt den Vergleich der Gesamtempfindlichkeit beim Senden und bei der Aufnahme im Falle, daß eine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist und im Falle, daß keine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist. Die Kurve 1 repräsentiert die Gesamtempfindlichkeit im Falle, daß keine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist, während die Kurve 2 die Gesamtempfindlichkeit für den Fall repräsentiert, daß eine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist.

Wie aus Fig. 9 deutlich wird, fällt für den Fall, daß keine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist, die Empfindlichkeit mit wachsendem Druck plötzlich ab, wenn der Druck aufgrund einer Änderung des Umgebungsdruckes ansteigt, während die Empfindlichkeit nicht abfällt, wenn eine Druckausgleichsbohrung 5 vorgesehen ist.

Fig. 10 zeigt die Bündelung, die durch den Pegel des vom Reflektor 4 reflektierten Schalls ausgedrückt ist, welcher 3 m vor dem Sender/Empfänger gemessen wurde.

Der Reflektor 4 ermöglicht eine scharfe Bündelung, das heißt einen Halbierungswinkel von 4 Grad oder weniger. Es ist daher möglich, ideale Charakteristika für Entfernungsmesser, Pegelmesser oder dergleichen zu realisieren.

Im Ergebnis werden daher die folgenden Vorteile erzielt:

(1) Nachdem die Energiedämpfung innerhalb des piezoelektrischen Polymerfilms 1 ausreichend groß ist, ist es möglich, das Senden und den Empfang einer Ultraschallwelle mit hohen Dämpfungscharakteristika zu realisieren, ohne daß die Verwendung eines Dämpfungsmaterials erforderlich wäre.
(2) Nachdem kein Dämpfungsmaterial verwendet wird, ergibt sich auch kein Energieverlust aufgrund der Anwesenheit eines Dämpfungsmaterials, und es ist daher möglich, das Senden und den Empfang mit höherer Effizienz zu bewirken.
(3) Nachdem die Schallimpedanz des piezoelektrischen Polymerfilms 1 eine Größenordnung kleiner ist als diejenige des keramischen piezoelektrischen Vibrators, ist es möglich, eine hohe Effizienz des Sendens und Empfangens von Schall in und aus Luft zu erreichen.
(4) Nachdem die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms 1 reduziert werden kann, ist es möglich, zum Zeitpunkt des Sendens die elektrische Feldstärke zu vergrößern und daher die Sendeeffizienz zu verbessern (das heißt, es ist möglich, den Betrag der Versetzung des piezoelektrischen Polymerfilms 1 zu erhöhen).
Zum Zeitpunkt des Empfangs hat die Dicke des Films 1 keinen Einfluß auf die Ausgangsleistung. Andererseits ermöglicht der hohe Spannungskoeffizienz g ₃₁ des piezoelektrischen Polymerfilms 1 selbst, daß eine hohe offene Ausgangsspannung erreicht werden kann.
Mit andereren Worten, es ist möglich, die Empfindlichkeit bzw. Leistung bzw. den Wirkungsgrad sowohl beim Senden als auch beim Empfangen in großem Umfang zu steigern.
(5) Nachdem es unnötig ist, ein Dämpfungsmaterial, eine akustische Anpassungsschicht oder dergleichen zu verwenden, ist es möglich, Änderungen hinsichtlich der Temperaturcharakteristika zu vermeiden, welche zur Änderung der physikalischen Eigenschaften dieser Materialien beitragen.
(6) Dementsprechend ist es möglich, eine hohe Leistung bei beträchtlich niedrigerem Energieverbrauch im Vergleich mit dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 zu erzielen.
(7) Nachdem der piezoelektrische Polymerfilm 1 nur an seinem oberen und unteren Endflächen befestigt ist, ist es möglich, eine ungehinderte, freie atmungsartige Vibration zu erreichen. Daher ist es möglich, eine hohe Sende- und Empfangsempfindlichkeit zu erreichen.
(8) Die Druckausgleichsbohrung 5 ermöglicht es, einen Ultraschall-Sender/Empfänger zu schaffen, dessen Empfindlichkeit nicht vom Umgebungsdruck abhängt.
(9) Die Verwendung des Reflektors 4 ermöglicht die Verwirklichung eines Ultraschall-Sender/Empfängers mit exzellenten Bündelungseigenschaften, der somit für einen Entfernungsmesser ausgezeichnet geeignet ist.

Es ist anzumerken, daß, obwohl beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Träger 2 aus Kunststoff besteht, dieser selbstverständlich aus Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, bestehen könnte und auch als Zuleitungsabschnitt verwendet werden kann, welcher mit der inneren Elektrode des piezoelektrischen Polymerfilms 1 verbunden ist.

Wenn der Träger 2 unter Verwendung eines keramischen Materials, beispielsweise Tonerde, hergestellt wird, ist es möglich, den Träger 2 mittels Sintern in eine komplizierte Konfiguration zu bilden und es ist daher möglich, die zusätzliche Bearbeitung zu minimieren und daher die Herstellungskosten zu senken.

Keramische Materialien sind auch bezüglich Witterungsbeständigkeit und chemischer Widerstandsfähigkeit hervorragend.

Wenn die Oberfläche des keramischen Trägers 2 metallbeschichtet wird (das heißt metallisiert wird), dann ist es vorzugsweise möglich, diese als Zuleitungsabschnitt der inneren Elektrode zu verwenden.

Obwohl beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der piezoelektrische Polymerfilm 1 aus Polyvinyliden- Fluorid (PVDF) besteht, ist das Material des Films hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, ein Copolymer von Vinyliden-Fluorid und Triflouräthylen, das heißt P(VDF-TrFE), ein Copolymer von Vinyliden-Fluorid und Tetrafluoräthylen, das heißt P(VDF-TeFE), oder ein abwechselndes Copolymer von Vinyliden- Zyanid und Vinylacetat, das heißt P(VDCN-VAC) zu verwenden. Kurz gesagt, es kann jedwedes Material verwendet werden, welches sehr gute piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Es ist nicht stets erforderlich, das verwendete Material zu orientieren, es kann vielmehr nur der Polarisation unterworfen werden, die durch Anwendung einer Hochspannung bewirkt wird.

Fig. 11 bis 16 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Beim vorigen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ergeben sich die weiter oben beschriebenen verschiedenen Vorteile, jedoch sind die folgenden Nachteile zu verzeichnen.

Nachdem der piezoelektrische Polymerfilm 1 aus einem Fluor-Polymer-Material gefertigt ist, beispielsweise aus PVDF, weist er hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und wird von den meisten korrodierenden Gasen nicht angegriffen. Nachdem es jedoch äußerst schwierig ist, ein solches Material zu kleben bzw. zu verbinden, besteht die Schwierigkeit, auf dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 Elektrode auszubilden.

Im Falle, daß auf dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 Elektroden mittels Aufspratzen von Material (Sputter- Technik) ausgebildet werden, werden aufgrund der Tatsache, daß selbst dann, wenn als Sputter-Material Gold oder dergleichen verwendet wird, die Bindungskraft nur gering ist, die Elektroden als Ergebnis des Eindringens eines korrodierenden Gases oder einer Verlängerung des Films 1 aufgrund von Feuchtigkeitsabsorption relativ leicht getrennt.

Die Anordnung des piezoelektrischen Polymerfilms 1 gemäß Fig. 7 weist weiterhin den Nachteil auf, daß die Ablösung der Elektroden 11, 12 und der Klebeschichten 101 und 102 relativ leicht auftritt und zwar aufgrund des relativ niedrigen Korrosionswiderstands der Schutzfilme 103 und 104 und des Eindringens eines korrodierenden Gases in die Schutzfilme 103 und 104. Wenn das Ablösen auftritt, wird im Medium eine Luftschicht erzeugt und hierdurch wird Schall reflektiert, wodurch die akustische Umwandlungsleistung beträchtlich gesenkt wird. Nachdem weiterhin die Schutzfilme 103, 104 und die Klebeschichten 101, 102 dem piezoelektrischen Polymerfilm 1 hinzugefügt sind, steigt die Gesamtsteifigkeit an, so daß die akustische Umwandlungswirksamkeit abnimmt.

Fig. 11 bis 13 sind Ansichten, die das Grundprinzip dieses Ausführungsbeispiels veranschaulichen.

Fig. 11 zeigt das Prinzip, nach welchem eine Ultraschallwelle in Richtung auf die zu messende Oberfläche abgesandt wird. Die Bezugsziffer 125 bezeichnet einen piezoelektrischen Film mit einer Dicke von t₁. Zwei Elektroden 126 und 127 sind an entsprechenden Positionen angeordnet, die vom piezoelektrischen Film 125 derart beabstandet sind, daß die Elektroden 126 und 127 den Film 125 sandwichartig zwischen sich einschließen. Die Elektrode 127 ist aus einem Metallnetz mit gleichförmigen Öffnungen gebildet. Der Abstand von der Elektrode 127 zu der Elektrode 126 ist t₀.

Wenn die Steuerspannung V mit einer Hochfrequenz, welche die Dicken-Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Films 125 umfaßt, von einer Steuerspannungsquelle 128 zwischen die Elektroden 126 und 127 angelegt wird, so wird zwischen den Elektroden 126 und 127 ein hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt. Unter der Annahme, daß die Elektrizitätskonstante des piezoelektrischen Films 125 ε₁ und die Dielektrizitätskonstante des Zwischenraums ε₀ ist, kann die Intensität des elektrischen Felds E₁, welches auf den piezoelektrischen Film 125 einwirkt, wie folgt ausgedrückt werden:

E₁ = V {t₁+ε₁/ε₀(t₀-t₁)}

Der piezoelektrische Film 125 wird durch das angelegte elektrische Feld in Richtung seiner Dicke in Vibration versetzt, wodurch er im Einklang mit der Feldstärke E₁ eine Ultraschallwelle erzeugt. Nachdem die maschenartigen Öffnungen in der Elektrode 127 ausgebildet sind, die an derjenigen Seite des piezoelektrischen Films 125 angeordnet ist, durch die die Ultraschallwelle fortschreitet, wird die Ultraschallwelle in Richtung auf eine Meßoberfläche gesandt, während sie durch diese Maschen gebeugt bzw. zerstreut wird. Dementsprechend ist der Verlust der Ultraschallwelle aufgrund der Reflektion an der Elektrode 127 sehr gering.

Fig. 12 zeigt ein Prinzip, nach welchem die von der Meßoberfläche reflektierte Welle empfangen wird. Der piezoelektrischen Film 125 wird im Einklang mit dem Schalldruck der von der Meßoberfläche reflektierten Ultraschallwelle deformiert bzw. gedehnt, wodurch eine elektrische Ladung ±q erzeugt wird. Diese Ladung ±q erzeugt eine induzierte Ladung an den Elektroden 126 und 127. Die induzierte Ladung wird in einem Ladungsverstärker 129 nachgewiesen und in eine Spannung umgewandelt, welche dann zu einer (nicht dargestellten) Umwandlereinheit weitergeführt wird, wo der Abstand des Ultraschall-Sender/Empfängers von der Meßoberfläche berechnet wird.

Fig. 13 zeigt eine Anordnung, bei der der Sendebetrieb gemäß Fig. 11 und der Empfangsbetrieb gemäß Fig. 12 miteinander kombiniert sind. Wie dargestellt wird ein Schalter 130 zwischen der Steuerspannungsquelle 128 und dem Ladungsverstärker 129 umgeschaltet, um hierdurch vom Sendebetrieb auf den Empfangsbetrieb bzw. umgekehrt umzuschalten.

Obwohl bei den in den Fig. 11 bis 13 gezeigten Anordnungen das Senden und Empfangen der Ultraschallwelle an der in der gewählten Darstellung oben dargestellten Seite des piezoelektrischen Films 125 durchgeführt wird, wird dann, wenn es notwendig ist, das Senden und Empfangen des Ultraschalls auch an der unteren Seite durchzuführen, auch die Elektrode 126 mit Öffnungen versehen. Vorzugsweise werden die Öffnungen in der Elektrode 126 gleichförmig über die gesamte Elektrode ausgebildet.

Fig. 14 zeigt den allgemeinen Aufbau dieses Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen das gleiche wie der in Fig. 4 dargestellte Ultraschall- Sender/Empfänger mit der Ausnahme des piezoelektrischen Films und den ihm zugeordneten Teilen.

Ein Abschnitt 132 des piezoelektrischen Films ist entlang der seitlichen Oberfläche eines Trägers 131 ausgebildet, welche innerhalb des Reflektors 4 angeordnet ist. Anschlußdrähte 1331 und 1332 werden vom Abschnitt 132 des piezoelektrischen Films nach außen geführt.

Fig. 15 ist eine geschnittene Teilansicht eines wesentlichen Teils dieses Ausführungsbeispiels, welche den Abschnitt 132 des piezoelektrischen Films und die benachbarten Teile im Detail zeigt.

Eine Elektrode 134, die aus einem Netz gebildet ist, welches gleichmäßig verteilte Öffnungen aufweist, ist an der äußersten Position innerhalb einer Ausnehmung angeordnet, die in der Umfangs-Oberfläche des Trägers 2 ausgebildet ist, wobei die Elektrode 134 am piezoelektrischen Film 135 beispielsweise mittels isolierender Schrauben über einen isolierenden Rahmen 136 befestigt ist. Eine weitere Elektrode 137 ist in ähnlicher Weise am piezoelektrischen Film 135 über einen isolierenden Rahmen 138 befestigt und ist ebenfalls am Träger 131 befestigt.

Diese Elektroden 134 und 137 werden in Hinsicht auf die gewünschte Korrosionsbeständigkeit vorzugsweise unter Verwendung von beispielsweise rostfreiem Stahl oder Hastelloy C hergestellt.

Fig. 16 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die Anordnung des Abschnitts 312 des piezoelektrischen Films zeigt. Der Abschnitt 132 wird durch Überlagerung der Elektrode 134, des Rahmens 136, des piezoelektrischen Films 135, des Rahmens 138 und der Elektrode 137 in der erwähnten Reihenfolge ausgebildet. Der Abstand zwischen der Elektrode 134 und dem piezoelektrischen Film 135 und der Abstand zwischen der Elektrode 137 und dem piezoelektrischen Film 135 werden durch die entsprechende Dicke der Rahmen 136 und 138 bestimmt.

Wie im einzelnen beschrieben wurde, wird im Falle dieses Ausführungsbeispiel eine Ultraschallwelle über einen zwischen dem piezoelektrischen Film und einer jeden Elektrode vorhandenen Abstand gesendet bzw. empfangen. Es besteht daher nicht das Problem des Ablösens der Elektroden vom piezoelektrischen Film. Dementsprechend ergibt sich eine große Lebensdauer der Vorrichtung, selbst wenn diese in einer korrodierenden Gasatmosphäre verwendet wird, und es erfolgt keine Abschwächung der akustischen Umwandlungsleistung aufgrund von Korrosion.

Nachdem es weiterhin möglich ist, die Elektroden und die Anschlußdrähte durch Schweißen miteinander zu verbinden, kann eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden.

Nachdem desweiteren dieses Ausführungsbeispiel kein Element umfaßt, welches die Steifigkeit des piezoelektrischen Films erhöht, wie beispielsweise Klebstoff, kann die akustische Umwandlungseffizienz weiter verbessert werden.

Fig. 17 bis 22 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 19 und 20 zeigen eine erste Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18, und die Fig. 21 und 22 zeigen eine zweite Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18.

Der in Fig. 7 dargestellte piezoelektrische Polymerfilm 1 wird mit Schutzfilmen 103 und 104 abgedeckt, die unter Verwendung von Polytetrafluorethylen hergestellt sind, um die erforderliche Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen. Nachdem jedoch die entsprechenden Umfangs-Endflächen 13 der Schutzfilme 103 und 104 mittels eines Klebstoffs verbunden sind, vermindert sich in Abhängigkeit vom verwendeten Klebstoff die Gesamtkorrosionsbeständigkeit.

Nachdem Polytetrafluorethylen von Hause aus schwer zu kleben ist, ist es nicht möglich, dieses Kunststoffmaterial selbst in ausreichender Weise zu kleben. Weiterhin ist die Gaspermeabilität von Polytetrafluorethylen sehr viel höher als diejenige von anderen Polymermaterialien. Daher können die Schutzfilme 103 und 104 den piezoelektrischen Polymerfilm 1 nicht ausreichend schützen.

Im folgenden wird das in Rede stehende Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es sei angemerkt, daß die Teile, welche die gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß dem Stand der Technik haben, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und daß auf eine nochmalige eingehende Beschreibung dieser Teile verzichtet wird.

Fig. 17 und 18 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel gemäß vorliegender Erfindung, wobei Fig. 17 eine Draufsicht und Fig. 18 eine Schnittansicht gemäß Fig. 17 entlang der Linie A-A′ ist.

Die Elektroden 11 und 12 werden an die oberen bzw. unteren Oberflächen des piezoelektrischen Polymerfilms 1 angeklebt und die Anschlußdrähte 220 und 221, die mit Isolierbeschichtungen 218 und 219 bedeckt sind, beispielsweise mit Polydifluorethylen, werden von diesen Elektroden 11 bzw. 12 herausgeführt. Die Oberfläche der Elektroden 11 und 12 wird mit Schutzfilmen 222 und 223 aus Polydifluorethylen abgedeckt und die entsprechenden Umfangs-Kantenabschnitte 224 der Schutzfilme werden in eine einzige Einheit miteinander verklebt bzw. verbunden, indem die Schutzfilme 222 und 223 beispielsweise mittels Ultraschall verschweißt werden.

Als Material für die Schutzfilme 222 und 223 ist es angebracht, Polytri-, Di- oder Mono-Fluorethylen zu verwenden, welches hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit hervorragend ist und welches eine niedrige Permeabilität hinsichtlich Gas und Wasserdampf aufweist, d. h. Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyvinyliden- Fluorit (PVDF) oder Polyvinylfluorit (PVF). Dies sind Fluor-enthaltende Polyethylenmaterialien, die von der gleichen Art sind wie Polytetrafluorethylen, die jedoch eine sehr viel geringere Gaspermeabilität aufweisen als das letztgenannte.

Insbesondere ist PVDF auch hinsichtlich der mechanischen Stabilität hervorragend und wird daher als das geeignetste Material zur Verwendung als Schutzfilm angesehen, wenn alle möglichen Aspekte in Betracht gezogen werden wie beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, Gas- und Wasserdampfpermeabilität, mechanische Stabilität usw.

Die Schutzfilme 222 und 223 müssen eine Dicke von ungefähr 25 µm oder mehr aufweisen, um als Schutzfilme wirken zu können. Die Schutzfilme 222 und 223 wirken hinsichtlich des piezoelektrischen Polymerfilms 1 jedoch als Belastung. Es wurde experimentell bestätigt, daß der piezoelektrische Polymerfilm 1 eine Dicke aufweisen muß, die mindestens zweimal so groß ist wie diejenige der Schutzfilme 222 und 223, um diese Belastung zu überwinden.

Fig. 19 und 20 zeigen eine erste Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18, wobei Fig. 19 eine Draufsicht ist und Fig. 20 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ gemäß Fig. 19.

Wenn die Schutzfilme 222 und 223 relativ dünn sind (beispielsweise ungefähr 25 µm), so kann keine zufriedenstellende Verschweißfestigkeit erzielt werden. In einem solchen Fall kann die Verschweißfestigkeit gesteigert werden, wenn ein Film 226, der aus dem gleichen Material besteht wie dasjenige der Schutzfilme 222 und 223 und der eine angemessene Dicke aufweist, in dem Bereich zwischen den entsprechenden Umfangskantenabschnitten 225 der Schutzfilme 222 und 223 eingefügt wird, um auf diese Weise die Gesamtdicke zu erhöhen.

Es wurde experimentell bestätigt, daß die höchste Verschweißungsstärke erhalten wird, wenn die Gesamtdicke 90 µm bis 100 µm beträgt.

Die Fig. 21 und 22 zeigen eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17 und 18, wobei Fig. 21 eine Draufsicht und Fig. 22 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A′ gemäß Fig. 21 ist.

In vielen Fällen werden Fluor-enthaltende Kunstharze, d. h. PVDF, als Material für den piezoelektrischen Polymerfilm 227 verwendet. In einem solchen Fall werden die Abmessungen des piezoelektrischen Polymerfilms 227 vergrößert, so daß sich der Film 227 genau so weit nach außen erstreckt wie die Enden der Schutzfilme 228 und 229, und diese Schutzfilme 228 und 229 aus Fluor-enthaltendem Kunstharz, welches von der gleichen Art ist wie dasjenige des piezoelektrischen Polymerfilms 227, werden an den entsprechenden Umfangskantenabschnitten 230 über den Film 227 miteinander Ultraschall- verschweißt. Hierdurch werden die Schutzfilme 228 und 229 an ihren Umfangskantenabschnitten 230 verschmolzen, und auf diese Weise ist es möglich, eine zufriedenstellende Abdichtung zu erzielen.

Wenn die Anschlußdrähte 220 und 221 mit isolierenden Beschichtungen 231 und 232 aus fluorhaltigem Kunstharz, welches von der gleichen Art ist wie dasjenige der Schutzfilme 228 und 229, abgedeckt werden, so können die Anschlußdrähte 220 und 221 mittels Ultraschallschweißung in eine einzige einstückige Struktur geformt werden, so daß die Abdichtung noch weiter verbessert wird.

Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Elektroden an einem piezolelektrischen Polymerfilm angeklebt wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf eine solche Anordnung beschränkt, es ist vielmehr auch möglich, zunächst Elektroden auf den inneren Seiten der Schutzfilme auszubilden und dann diese Filme auf einen piezoelektrischen Polymerfilm aufzukleben bzw. mit diesem zu verbinden.

Obwohl desweiteren gemäß der vorstehenden Beschreibung die Umfangskantenabschnitte der Schutzfilme mittels Ultraschallschweißung miteinander verklebt bzw. verbunden wurden, ist die im Falle der vorliegenden Erfindung zu verwendende Verbindung nicht notwendigerweise hierauf beschränkt. Beispielsweise kann auch Ultraschallschweißung verwendet werden.

Falls für die Schutzfilme ein anderes Material als fluorhaltige Kunstharze verwendet wird, ist es möglich, Polyetherketone (PEEK) als Material zu verwenden, welches gute Korrosionseigenschaften und geringe Permeabilität hinsichtlich Gas und Wasserdampf aufweist.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden daher beide Oberflächen eines piezoelektrischen Polymerfilms mit Schutzfilmen abgedeckt und die Umfangskantenabschnitte dieser Filme werden unter Verwendung von Autohäsion miteinander verbunden. Dementsprechend ist es möglich, eine zufriedenstellende Abdichtung selbst in einer korrodierenden Gasatmosphäre sicherzustellen.

Fig. 23 bis 28 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist mehrere Vorteile auf, ist jedoch noch mit den folgenden Nachteilen behaftet:

a) die Resonanzfrequenz f₀ ändert sich umgekehrt proportional zum Krümmungsradius R, was bedeutet, daß sie sich entsprechend der thermischen Expansion der äußeren Gestalt des Trägers 16 ändert. Das Elastizitätsmodul ε ist ebenfalls von der Temperatur abhängig. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß der Behälter 16 aus steifen Vinylchlorid besteht, während der piezoelektrische Polymerfilm aus PVDF besteht und der Krümmungsradius R 10 cm beträgt, so beträgt die Resonanzfrequenz f₀ 40 kHz bei 20°C. Es ergeben sich jedoch Frequenzänderungen von ungefähr 3 kHz/20°C.
b) Der Q-Faktor eines piezoelektrischen Polymerfilms, der die Resonanzschärfe definiert, ist kleiner als derjenige eines piezoelektrischen Vibrators aus Keramikmaterial, jedoch nicht ausreichend klein, so daß selbst wenn die Steuerfrequenz auf einem konstanten Niveau gehalten wird, die Empfindlichkeit beim Senden und Empfangen im Einklang mit der Temperaturänderung beträchtlich gemindert wird.

Um den o. g. Nachteil zu beheben, wird in Betracht gezogen, beispielsweise eine Temperaturkompensation durchzuführen, bei der die Umgebungstemperatur gemessen und die Steuerfrequenz auf der Basis der gemessenen Temperatur nahe zur Resonanzfrequenz hin verschoben wird. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Signalverarbeitung kompliziert ist. Es kann auch in Betracht gezogen werden, um den piezoelektrischen Polymerfilm herum ein Dämpfungsmaterial vorzusehen, um den Q-Faktor zu verkleinern und hierdurch die Auswirkungen von Temperaturschwankungen zu reduzieren. Dieses Verfahren funktioniert in der Praxis jedoch nicht wirksam.

Im folgenden wird das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es sei angemerkt, daß die Teile, die die gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß dem Stand der Technik haben, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden und daß auf eine entsprechende eingehende Beschreibung verzichtet wird.

Fig. 23 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel.

Ein Reflektor 314 weist in der Darstellung gemäß Fig. 23 an seiner oberen Seite einen flachen Abschnitt 324 auf. Ein säulenartiger piezoelektrischer Polymerfilmvibrator 325, der einen vorbestimmten Krümmungsradius R₁ aufweist, ist mit seinem einen Ende am flachen Abschnitt 324 befestigt. Ein weiterer piezoelektrischer Polymerfilmvibrator 326 mit einem Krümmungsradius R₂, der vom Krümmungsradius R₁ des piezoelektrischen Polymerfilmvibrators 325 unterschiedlich ist, ist am anderen Ende des Vibrators 325 befestigt. Die piezoelektrischen Polymerfilmvibratoren 325 und 326 weisen entsprechende Resonanzfrequenzen f₁ und f₂ auf und diese beiden Vibratoren werden miteinander kombiniert, um so einen piezoelektrischen Polymerfilmvibrator 327 zu bilden, der eine Mitten-Resonanzfrequenz f₃ aufweist.

Der piezoelektrische Filmvibrator 327 und der Reflektor 314 stellen in Kombination einen Ultraschall-Sender/Empfänger 328 dar.

Der Aufbau des piezoelektrischen Filmvibrators 325 (326) ist der gleiche wie derjenige gemäß Fig. 4. Im einzelnen weist er, wie in Fig. 24 gezeigt, einen Träger 329 (330) mit einem Durchmesser von 2R₁ (2R₂) auf, eine Ausnehmung 331 (332), die an dessen Umfangsoberfläche ausgebildet ist, eine Druckausgleichsbohrung 333 (334), die für eine Verbindung zwischen der Ausnehmung und dem äußeren sorgt, einen piezoelektrischen Film 335 (336), welcher an der äußeren Umfangsebene der Ausnehmung angeordnet ist, sowie Elektroden 337 a und 337 b (338 a und 338 b), die an den äußeren bzw. inneren Umfangsoberflächen des piezoelektrischen Films vorgesehen sind.

Die Arbeitsweise des in Fig. 23 dargestellten Ultraschall- Sender/Empfängers mit dem obenbeschriebenen Aufbau wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 25 beschrieben.

Die Grafik gemäß Fig. 25 zeigt die Frequenzcharakteristika des in Fig. 23 gezeigten Ultraschall-Sender/ Empfängers. Die Abszissenachse stellt die Resonanzfrequenz dar, während die Ordinatenachse die Empfindlichkeit S darstellt. Der piezoelektrische Filmvibrator 325 weist Frequenzcharakteristika auf, bei denen die Resonanzfrequenz f₁ das Maximum bzw. den Scheitelwert darstellt, während der piezoelektrische Filmvibrator 326 Frequenzcharakteristika aufweist, bei denen die Resonanzfrequenz f₂ das Maximum ist. Der Ultraschall- Sender/Empfänger 327 weist Frequenzcharakteristika auf, die durch Kombination der entsprechenden Frequenzcharakteristika der piezoelektrischen Filmvibratoren 325 und 326 erhalten werden, wie diejenigen, die durch die Kurve 327 dargestellt sind. Aus der grafischen Darstellung wird klar, daß der Ultraschall-Sender/Empfänger 327 eine Frequenzkurve aufweist, die innerhalb eines Bereiches einer Frequenzänderung Δ f bezüglich der Mittelresonanzfrequenz f₀ im wesentlichen flach ist und daher temperaturunabhängig.

Demgegenüber zeigt die Frequenzkurve 323 des Ultraschall- Sender/Empfängers gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die höchste Empfindlichkeit bei der Resonanzfrequenz f₀, fällt jedoch, insbesondere an den Enden des Frequenzbereichs Δ f stark ab.

Dementsprechend ergibt sich, daß der in Fig. 23 dargestellte Ultraschall-Sender/Empfänger von einer Temperaturänderung tatsächlich nicht beeinflußt wird.

Fig. 26 bis 28 zeigen verschiedene Modifikationen des obenbeschriebenen Ausführungsbeispiels. Fig. 26 zeigt eine Modifikation, bei der zwei halbsäulenartige Träger 339 und 340, die unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, verwendet werden. Der halbsäulenartige Träger 339 weist einen Krümmungsradius R₄ auf, während der andere halbsäulenartige Träger 340 einen Krümmungsradius R₅ aufweist (R₄ R₅). Diese beiden Träger werden so angeordnet, daß ihre beiden flachen Seiten aufeinander zuweisen. Auf diese Weise werden Ultraschallwellen, die Resonanzfrequenzen entsprechend den Krümmungsradien R₄ und R₅ enthalten, abgestrahlt.

Fig. 27 zeigt eine Modifikation, bei der der Träger 341 einen ovalen Querschnitt aufweist, so daß er mehrere Resonanzfrequenzen aufweist.

Fig. 28 zeigt eine Modifikation, bei der der Träger 342 kegelstumpfförmig ausgebildet ist, so daß er unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweist.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Ultraschallwellen von Vibrationsoberflächen mit unterschiedlichen Krümmungen ausgesandt, so daß die die Gesamtfrequenzcharakteristika darstellende Kurve der Ultraschallwellen, die von den Oberflächen mit unterschiedlichen Krümmungen abgestrahlt werden, über einen vorbestimmten Bereich um die mittlere Frequenz herum flach ist. Dementsprechend ist es möglich zu verhindern, daß die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung über einen weiten Temperaturbereich abfällt. Daher kann die Anordnung der Signalverarbeitungsschaltung vereinfacht und die Betriebsstabilität verbessert werden.

Claims

1. Sender/Empfänger eines Ultraschall-Entfernungsmeßgerätes, gekennzeichnet durch:
einen säulenartigen Träger (2),
eine ringförmige Ausnehmung (21), die in der Umfangs-Oberfläche des Trägers (2) ausgebildet ist, wobei die beiden Endbereiche der Umfangs-Oberfläche verbleiben,
einen zylindrischen piezoelektrischen Polymerfilm (1), der an den Endbereichen der Umfangs-Oberfläche des Trägers (2) befestigt ist, um zusammen mit der Ausnehmung eine Kammer (3) zu definieren,
Elektroden (11, 12), die an den äußeren und inneren Umfangs-Oberflächen des piezoelektrischen Polymerfilms (1) angeordnet sind,
einen konischen Reflektor (4), der mit seiner Oberseite an einem Ende des Trägers (2) befestigt ist, um die zu sendenden und zu empfangenden Ultraschallwellen zu bündeln, so daß die gesendete Ultraschallwelle in axialer Richtung des Trägers (2) fortschreitet und
eine Druckausgleichsbohrung (5), die im Träger (2) vorgesehen ist, um zwischen der Kammer (3) und dem Äußeren eine Verbindung zu schaffen.

2. Sender/Empfänger nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine (127) der Elektroden (126, 127) mit Öffnungen versehen ist und daß die Elektroden (126, 127) vom piezoelektrischen Polymerfilm (125) beabstandet sind, wobei an die Elektroden (126, 127) eine Steuerspannung angelegt wird, um eine Ultraschallwelle zu einer Meßfläche zu übertragen und wobei eine induzierte Ladung, die auf den Elektroden (126, 127) erzeugt wird, auf der Basis der auf dem piezoelektrischen Polymerfilm (125) aufgrund der von der Meßoberfläche reflektierten Ultraschallwelle erzeugten elektrischen Ladung ermittelt wird.

3. Sender/Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin folgendes umfaßt:
Anschlußdrähte (220, 221), die von den Elektroden (11, 12) nach außen führen, sowie Schutzfilme (222, 223), welche die Elektroden (11, 12) vollständig abdecken und aus Polymono-, Di- oder Tri-Fluorethylen gefertigt sind, wobei diese Schutzfilme (222, 223) an ihren entsprechenden Umfangs-Kantenabschnitten mittels Schmelzschweißen miteinander verbunden sind.

4. Sender/Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Polymerfilm eine Vibrationsfläche aufweist, die unterschiedliche Krümmungen aufweist, um eine Ultraschallwelle zu einer Meßoberfläche hin abzustrahlen und die hiervon reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, wodurch der Abstand der Meßoberfläche beispielsweise auf der Basis der Zeitspanne der Abstrahlung der Ultraschallwelle bis zum Empfang der reflektierten Welle gemessen wird.

5. Sender/Empfänger nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerfilm als Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) besteht.

6. Sender/Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerfilm (1) aus P(VDF-TrFE), aus P(VDF-TeFE) oder aus P(VDCN-VAC) besteht.

7. Sender/Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms (1) 25-100 µm beträgt.

8. Sender/Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) aus einem keramischen Material hergestellt ist.

9. Sender/Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des keramischen Trägers (2) metallbeschichtet ist.

10. Sender/Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er, von außen nach innen gesehen, den folgenden Aufbau aufweist: eine gitterförmige Elektrode (134), einen rahmenförmigen Abstandshalter (136), den piezoelektrischen Polymerfilm (135), einen rahmenartigen Abstandshalter (138) sowie eine weitere Elektrode (137), (vgl. Fig. 15 und 16).

11. Sender/Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schutzfilme (222, 223) mindestens 25 µm beträgt, jedoch höchstens die halbe Dicke des piezoelektrischen Polymerfilms (1).

12. Sender/Empfänger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereich zwischen den Umfangskantenabschnitten (225) der Schutzfilme (222, 223) ein zusätzlicher Film (226) eingefügt ist, der vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie die Schutzfilme (222, 223), (vgl. Fig. 20).

13. Sender/Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der piezoelektrische Polymerfilm (227) im wesentlichen genauso weit nach außen erstreckt, wie die Schutzfilme (228, 229), und daß die Schutzfilme mit dem piezoelektrischen Polymerfilm (227) entlang der Umfangskantenabschnitte (230) verschweißt sind (vgl. Fig. 22).

14. Sender/Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zylindrische piezoelektrische Polymerfilme (325, 326) koaxial nebeneinander angeordnet sind (vgl. Fig. 23).

15. Sender/Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je ein piezoelektrischer Polymerfilm auf zwei gegenüberliegenden, halbsäulenartigen Trägern (339, 340) mit jeweils unterschiedlichen Krümmungsradien (R₄, R₅) angeordnet sind (vgl. Fig. 16).

16. Sender/Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Polymerfilm auf einem Träger (341) mit ovalem, elyptischen bzw. länglich- rundem Querschnitt angeordnet ist (vgl. Fig. 27).

17. Sender/Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Polymerfilm auf einem kegelstumpfförmigen Träger (342) angeordnet ist (vgl. Fig. 28).