DE3841226C2 - Ultraschall-Wandler mit versenktem Piezokörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Wandler mit einem Piezokörper, der piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwin­ gungen anregbar ist, und mit einer auf der einen Stirnfläche des Piezokörpers aufgebrachten Anpassungsschicht, deren Dicken­ abmessung λ/4 der Schallwelle beträgt und deren Material einen Schallwiderstand besitzt, der zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstands des Materials des Piezokörpers und demjenigen des Mediums liegt, in das Ultraschall abzustrahlen ist. Ein solcher Sensor ist insbesondere auf dem Gebiet der Sensoren (berührungslose Schalter) einsetzbar. Er eignet sich dabei z. B. für Abstandsmessungen in gasförmigen Stoffen.

Ein richtscharfer Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art ist aus der DE-PS 25 37 788 und aus der DE-PS 25 41 492 bekannt.

In der DE-PS 25 41 492 ist bereits ausgeführt, daß für ein Ultraschall-Echolot-System Ultraschall-Wandler wünschenswert sind, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungs­ winkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ul­ traschalls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auf­ lösungsvermögen erreicht wird. Unter dem Begriff Auflösungs­ vermögen wird dabei verstanden, daß zwei nahe beieinanderlie­ gende Objekte unterschieden werden können. Um eine Schall­ strahlung mit besonders geringem Öffnungswinkel zu erzeugen, ist der piezoelektrische Ultraschall-Wandler als ein ebener Klebeverbund aus einer planen Piezokeramik auf einer planen Anpassungsschicht ausgeführt, wobei die Anpassungsschicht durch einen die Piezokeramik umgebenden Beschwerungsring aus Metall an der Ausführung einer reinen Radialschwingung gehindert wird. Auf diese Weise wird die Energie der radial schwingenden Piezokeramik über die Anpassungsschicht zum umgebenden Medium, zum Beispiel Luft, übertragen. Die Anpassungsschicht strahlt dabei den von der Piezokeramik eingespeisten Ultraschall senkrecht zur Hauptschwingungsebene dieser Piezokeramik scharf gebündelt in das Medium ab. Da die Breite der Schallbündelung im direkten Zusammenhang zur Detektierbarkeit der reflektierten Echos steht, kann eine hohe Auflösung erzielt werden.

Bei dem bekannten Ultraschall-Wandler wird die Bewegung des Piezokörpers, das heißt die Schwingungsenergie, ausschließlich über die Klebung zwischen dem Piezokörper und der Anpassungs­ schicht auf letztere übertragen. Die Eigenschaft des Klebers, insbesondere dessen relativ geringe Scherfestigkeit, und die Qualität der Klebestelle sind damit für die Güte der Energie­ übertragung entscheidend.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art, insbesondere bei einem richtschar­ fen Ultraschall-Wandler mit Beschwerungsring, die Energieüber­ tragung und damit die Ultraschallabstrahlung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Anpassungsschicht eine Vertiefung vorgesehen ist, in die der Piezokörper paßgenau eingelassen ist.

Bei der Erfindung ist also der Piezokörper, der insbesondere eine Piezokeramik sein kann, paßgenau, das heißt ohne Seiten­ spalt, in das Material der Anpassungsschicht eingelassen, so daß zumindest ein Teil der Seitenfläche des Piezokörpers direkt auf das Material der Anpassungsschicht trifft. Dadurch wird die bei Erregung in dem Piezokörper hervorgerufene Radialbewegung direkt auf die Anpassungsschicht übertragen, was zu einer ver­ besserten Energieübertragung führt. Bei ausreichender Steifig­ keit des Anpassungsmaterials ergibt diese Art der Schwingungs­ ankopplung eine deutliche Erhöhung der Echospannung, die mit dem vom Senden auf Empfang geschalteten Ultraschall-Wandler gemessen werden kann. Gegenüber herkömmlichen Ultraschall-Wand­ lern wurden Anhebungen der Echospannung bis über 150% gemessen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

In der Figur ist ein richtscharfer Ultraschall-Wandler darge­ stellt, der einen zylindrischen Piezokörper 1 besitzt. An sei­ nen beiden Stirnflächen ist der Piezokörper 1 jeweils mit einer Metallelektrode 2, 3 versehen. An diesen Elektroden 2, 3 sind (nicht gezeigte) Anschlußlitzen angelötet. Über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden 2, 3 bei Betrieb des Ul­ traschall-Wandlers im Sendebetrieb mit einer Wechselspannung von einer (nicht gezeigten) Wechselspannungsquelle versorgt. Dadurch wird der Piezokörper 1, vorzugsweise ein Keramikkörper, zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf der einen Stirnfläche des Keramikkörpers 1, genauer: auf der Elektrode 3, ist eine An­ passungsschicht 4 angeordnet, die als Lambda/4-Schicht ausgebil­ det ist. Das bedeutet, daß diese Anpassungsschicht 4 in ihrem mittleren Bereich eine Dicke D von Lambda/4 hat, wobei Lambda die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers 1 erzeugten Ultra­ schalls in der Anpassungsschicht 4 ist.

Die Lambda/4-Schicht 4 besteht aus einem Material, dessen aku­ stischer Schallwellenwiderstand einen Wert besitzt, der zwi­ schen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers 1 und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums 5, in dem sich der Ultraschall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium 5 ist im allgemeinen Luft oder ein anderes Gas. Die Hauptabstrah­ lungsrichtung des Ultraschalls ist durch einen Pfeil 6 gekenn­ zeichnet.

Die Lambda/4-Anpassungsschicht 4 besitzt bei dem dargestellten Ultraschall-Wandler wesentlich größere Breitenabmessungen als der Keramikkörper 1. Der überstehende Bereich der Lambda/4-Schicht 4 ist auf der Seite des Keramikkörpers 1 mit einem Beschwerungs­ ring 7 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, verbunden.

Dieser Beschwerungsring 7 hat im Vergleich zur Lambda/4-Anpassungs­ schicht 4 ein relativ großes Gewicht und eine relativ hohe Steifigkeit. Der Beschwerungsring 7 umschließt konzentrisch den Keramikkörper 1, und zwar ohne diesen zu berühren.

Von besonderer Bedeutung ist vorliegend die Befestigung der Anpassungsschicht 4 am Piezokörper 1. Zu diesem Zweck ist kon­ zentrisch in der Anpassungsschicht 4 eine Vertiefung 8 an­ geordnet, in die der Piezokörper 1 samt Elektrode 3 paßgenau eingelassen ist. Die Einlaßtiefe t in der Anpassungsschicht 4 beträgt dabei weniger als die Hälfte der Dicke d des Piezo­ körpers 1. Entsprechend der Gestalt der Piezokeramik 1 ist die Vertiefung 8 zylindrisch ausgebildet. Die eingelassene Stirn­ fläche des Piezokörpers 1 (genauer: die Elektrode 3) ist dabei auf dem Boden der zylindrischen Vertiefung 8 festgeklebt. Wegen des paßgenauen Einlassens ist gewährleistet, daß ein Teil der zylindrischen Seitenfläche der Piezokeramik 1 jede Durch­ messeränderung direkt auf das Material der Anpassungsschicht 4 überträgt. Es wird also die bei Erregung der Elektroden 2, 3 erzeugte Radialbewegung der Piezokeramik 1 direkt auf das Anpassungsmaterial 4 übertragen. Hierdurch ergibt sich ein hohes Maß an Energieübertragung, was in einer verhältnismäßig großen abgestrahlten Ultraschall-Leistung entlang der Abstrah­ lungsrichtung 6 und folglich auch in relativ großen, beim Empfangsbetrieb vom Piezokörper 1 aufgenommenen Echosignalen resultiert.

Der Ultraschallwandler läßt sich mit Vorteil zu Abstandsmessungen in gasförmigen Stoffen einsetzen.

Claims (8)

1. Ultraschall-Wandler mit einem Piezokörper (1), der piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwingungen anregbar ist, und mit einer auf der einen Stirnfläche des Piezokörpers (1) aufgebrachten Anpassungsschicht (4), deren Dickenabmessung (D) Lambda/4 der Schallwelle beträgt und deren Material einen Schallwellenwiderstand besitzt, der zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Materials des Piezokörpers (1) und demjenigen des Mediums (5) liegt, in das Ultraschall abzustrahlen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anpassungsschicht (4) eine Vertiefung (8) vorgesehen ist, in die der Piezokörper (1) paßgenau eingelassen ist, derart, daß der in der Vertiefung liegende Teil der Seitenfläche der Piezokeramik deren Radialbewegung direkt auf Material der Anpassungsschicht überträgt.

2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaßtiefe (t) weniger als die Hälfte der Dicke (d) des Piezokörpers (1) beträgt.

3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite der Anpas­ sungsschicht (4), die dem Piezokörper (1) zugewandt ist, ein Beschwerungsring (7) angeordnet ist.

4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Beschwerungsring (7) aus einem Metall besteht.

5. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschwerungsring (7) auf der Anpassungsschicht (4) aufgeklebt ist.

6. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo­ körper (1) ein Keramikkörper ist, der mit zwei Elektroden (2, 3) zum Anschluß an eine Wechselspannungsquelle versehen ist.

7. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ tiefung (8) zylindrisch ausgebildet ist.

8. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn­ fläche des Piezokörpers (1) auf dem Boden der Vertiefung (8) festgeklebt ist.