DE3842759A1 - Richtscharfer ultraschall-wandler mit gekruemmter abstrahlflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen richtscharfen Ultraschall- Wandler mit einem Piezokörper mit Elektroden, mit einer am Piezokörper angebrachten Anpassungsschicht und mit einem den Piezokörper umgebenden, an der Anpassungsschicht befestigten Beschwerungsring. Ein solcher Ultraschall-Wandler wird insbe­ sondere als berührungsloser Sensor oder Schalter (BERO) und bevorzugt auf dem Gebiet der Luftschallsensorik eingesetzt.

Ein richtscharfer Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE-PS 25 37 788 (= VPA 75 P 7130) und der DE-PS 25 41 492 (= VPA 75 P 7150) bekannt. Dieser Ul­ traschall-Wandler besitzt einen Piezokörper, insbesondere eine piezoelektrische Keramik, die mittels einer Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen anzuregen ist. Auf der einen Stirnflä­ che des Piezokörpers ist eine Schicht aus einem Anpassungsma­ terial mit einer Dickenabmessung λ/4 der Schallwelle aufge­ bracht. Die Anpassungsschicht besitzt einen Wert des Schall­ wellenwiderstandes, der zwischen dem Wert des Schallwellenwi­ derstandes des Materials des Piezokörpers und demjenigen des Mediums (z. B. Luft) liegt, in das der Ultraschall abzustrahlen ist. Auf der Seite des Piezokörpers ist an der Anpassungsschicht ein Beschwerungsring aus Metall angebracht. Dieser umgibt den Piezokörper und hat - im Vergleich zur Anpassungsschicht - eine relativ große träge Masse und eine relativ große Biegefestig­ keit.

Ultraschall-Wandler der genannten Art beruhen darauf, daß der Keramikkörper bei Anlegung einer Wechselspannung an seine Elek­ troden vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt wird. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen Ultraschallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Mit anderen Worten: Der von dem Luft-Ultraschall-Wandler ausgesandte Luftschall wird zu einer schmalen Ultraschallkeule gebündelt. Dadurch können störende Reflexionen des Ultraschalls im bestrahlten Medium vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungs­ vermögen bei der Auswertung der Echosignale erreicht wird. Un­ ter Auflösungsvermögen wird dabei verstanden, daß zwei nahe beieinanderliegende Objekte unterschieden werden können. Es ist auch festzuhalten, daß die Breite der Schallbündelung in direktem Zusammenhang zur Detektierbarkeit der reflektierten Echos steht.

Je nach Art des Beschwerungsrings und der Güte des Klebever­ bunds aus Anpassungsmaterial und Beschwerungsring existieren in unmittelbarer Nähe der Nutzfrequenz (Nutzmode), bei der der Ultraschall-Wandler eine scharf bündelnde Schwingungscharakte­ ristik aufweist, weitere Resonanzfrequenzen (parasitäre Schwin­ gungsmoden), deren Schwingungscharakteristiken der genannten scharf bündelnden Schwingungscharakteristik entgegenarbeiten. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß diese parasitären Schwingungsmoden nach Möglichkeit in ihrer Wirkung vermieden werden sollten.

Die Krümmung von einstückigen oder mehrteiligen Ultraschall- Wandlern zum Zwecke der Fokussierung aufgrund der Linsenwirkung ist beispielsweise durch die DE-OS 18 15 997, DE-OS 22 49 091, DE-OS 30 09 482, CH-PS 5 43 314 und die EP-OS 00 79 284 an sich bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem einerseits eine Ul­ traschallstrahlung mit besonders geringem Öffnungswinkel er­ zeugt wird und bei dem andererseits Echosignale mit relativ großer Amplitude empfangen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anpassungsschicht eine schwach kalottenförmig gekrümmte Ober­ fläche als Abstrahlfläche für Ultraschall aufweist derart, daß im Nutzfrequenzbereich gelegene parasitäre Schwingungsmoden zumindest weitgehend unterdrückt werden.

Hierbei wird nicht in erster Linie die bekannte Linsenwirkung, sondern eine komplexe Wechselwirkung im System Piezokörper- Beschwerungsring-Anpassungsschicht ausgenutzt. Durch die ka­ lottenförmig ausgearbeitete Wandleroberfläche wird die unge­ störte Ausbildung des Nutzmodes begünstigt.

Experimente haben gezeigt, daß durch die Ausarbeitung der Grenzfläche zwischen dem Anpassungsmaterial und dem umgeben­ den Medium (z. B. Luft) zu einer kalottenförmigen Fläche eine zusätzliche Bündelung der ausgesandten Ultraschallwellen er­ reicht wird. Dies führt zu einer deutlichen Anhebung der Echo­ spannung, die mit dem vom Senden auf Empfang geschalteten Ul­ traschall-Wandler gemessen wird. Diese Anhebung der Echospan­ nung beträgt bis zu 180% derjenigen Echospannungswerte, die mit einem Ultraschall-Wandler gleichen Typs, aber ebener Grenz­ fläche zwischen dem Anpassungsmaterial und dem Medium erreicht werden.

Experimentelle Untersuchungen haben auch gezeigt, daß bei einem Durchmesser der Anpassungsschicht von etwa 50 mm der Kugelra­ dius der Kugelkalotte der kalottenförmigen Oberfläche etwa 5 m betragen sollte.

Die Verbesserung der Schallbündelung und die Vergrößerung des Echosignals kommt vor allem bei Ultraschall-Wandlern zum Tra­ gen, die aufgrund von Material- und Fertigungstoleranzen die für den Einsatz z. B. als Sensor notwendige schmale Schallkeu­ le (Öffnungswinkel von etwa 5°) des idealen Bauteils der be­ kannten konventionellen Form nicht erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.

In der Figur ist ein richtscharfer Ultraschall-Wandler darge­ stellt, wie er beispielsweise als berührungsloser Sensor zum Einsatz kommt. Dieser Ultraschall-Wandler besitzt einen zylind­ rischen Piezokörper 1, der insbesondere aus einer piezoelektri­ schen Keramik bestehen kann und der an seinen beiden Stirnflä­ chen jeweils mit einer Metallelektrode 2, 3 versehen ist. An diesen Elektroden 2, 3 sind (nicht gezeigte) Anschlußlitzen an­ gelötet. Über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden 2, 3 beim Senden mit einer Wechselspannung versorgt, beispielsweise mit einer Frequenz von 80 kHz. Die hierfür benötigte Wechsel­ spannungsquelle ist ebenfalls nicht eingezeichnet. Durch die angelegte Wechselspannung wird der Keramikkörper 1 vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt.

Auf der rechten Stirnfläche des Keramikkörpers 1, d. h. auf der Elektrode 3, ist eine Schicht 4 aufgeklebt, die als λ/4- Schicht ausgebildet ist. Das bedeutet, daß diese Anpassungs­ schicht 4 eine Dicke von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers 1 erzeugten Ultraschalls in dieser Schicht 4 ist. Die λ/4-Schicht 4 besteht aus einem Ma­ terial, dessen akustischer Schallwellenwiderstand einen Wert besitzt, der zwischen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers 1 und der Größe des Schallwiderstandes des Mediums 5, in dem sich der Ultraschall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium 5 ist im allgemeinen Luft oder Wasser, vorliegend werden die Verhältnisse für Luft betrachtet.

Die λ/4-Schicht 4 besitzt bei dem dargestellten Ultraschall- Wandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper 1. Der überstehende Bereich der λ/4-Schicht 4 ist auf der Seite des Keramikkörpers 1 mit einem Beschwerungsring 6 verbunden. Dieser Beschwerungsring 6 hat im Vergleich zur λ/4-Schicht 4 eine große Masse und eine große Fläche. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Im Ausführungsbeispiel besteht er aus Kupfer. Dieser Beschwerungsring 6 umschließt konzentrisch den Keramikkörper 1, und zwar ohne diesen zu berühren. Der Beschwe­ rungsring 6 kann auch Teil eines Gehäuses sein, in welches der Ultraschall-Wandler eingebaut ist. Er sorgt dafür, daß die freie Stirnfläche der λ/4-Schicht 4 in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt. Das heißt, alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Keramikkörper 1 gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Dadurch wird Ultraschall scharf gebündelt in Richtung des Pfeils 7 abgestrahlt.

Im Ausführungsbeispiel wird die Bündelung des Ultraschallstrahls noch unterstützt oder verstärkt durch die Ausarbeitung der Grenz­ fläche 8 zwischen dem Anpassungsmaterial der λ/4-Schicht 4 und der umgebenden Luft 5 zu einer schwach kalottenförmigen Fläche. Die kalottenförmig ausgearbeitete Oberfläche 8 isoliert den Nutzmode gegen eventuell die Schallbündelung beeinträchtigende, parasitäre Schwingmoden. Mit anderen Worten: Die ungestörte Ausbildung des Nutzmodes wird begünstigt. Dies führt zu einer deutlichen Anhebung der Echospannung, die mit dem Ultraschall­ wandler gemessen wird, wenn er nach Erregung mittels der genann­ ten Wechselspannung von der Betriebsart "Senden" auf "Empfang" geschaltet ist. Vergleichsmessungen zwischen Ultraschall-Wand­ lern mit planparalleler Anpassungsschicht und solchen mit kalot­ tenförmiger Abstrahlfläche 8 haben ergeben, daß - bei vorgege­ benem Abstand eines Reflektors - erhebliche Vergrößerungen der Echospannungsamplitude zu verzeichnen waren. Die Höhe h des ein­ gearbeiteten Kugelabschnitts betrug zunächst 0,5 mm und wurde dann auf ca. 0,7 mm erhöht. Dadurch wurde ein weiterer Anstieg der Echospannungsamplitude erreicht. Bei weiteren Messungen zeigte sich jedoch, daß dieser Anstieg um so geringer war, je größer die Echospannungsamplitude bereits vorher bei h=0,5 mm war.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel war der gemeinsame Außendurchmesser D der Anpassungsschicht 4 und des Beschwe­ rungsrings 6 etwa D=52 mm. Signifikante Echosignalamplituden- Erhöhungen wurden beobachtet bei einem Radius r der Kugel des eingearbeiteten Kugelabschnitts von r=6,70 m (entsprechend h=0,5 mm) und r=4,83 m (entsprechend h=0,7 mm). Es reicht also eine relativ schwache kalottenförmige Krümmung aus. Als Richtwert kann in diesem Beispiel also etwa r=5 m genommen werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Durchmes­ ser d des Piezokörpers 1 etwa halb so groß wie der Durchmes­ ser D der Anpassungsschicht 4 und des Beschwerungsrings 6. Der dem Krümmungsradius r der Kugelkalotte zugeordnete Mittelpunkt ist mit M bezeichnet.

Es soll hier folgende Tatsache betont werden. Bei den Experi­ menten hat sich ergeben, daß die höhere Echospannungsamplitude der nachträglich mit Kalottenform versehenen Anpassungsschich­ ten 4 weniger von einer Schallbündelung durch die Linsenwirkung des Anpassungsmaterials als vielmehr von einem veränderten Schwingverhalten des gesamten Ultraschall-Wandlers herrührt. Dieses Schwingverhalten ist recht komplex. Der bei Erregung radial schwingende Keramikkörper 1 arbeitet gegen den Metall­ ring 6 als träge Masse. Durch diese Bewegung wird die Oberflä­ che des Anpassungsmaterials senkrecht zur Schwingungsrichtung des Keramikkörpers 1 bewegt; sie koppelt dabei Ultraschall an die umgebende Luft 5 an. Die Reichweite des in Schallrichtung 7 abgestrahlten Ultraschalls im Bereich des Nutzmodes wird durch parasitäre Schwingungen, z. B. Biegeschwingungen des Beschwe­ rungsrings 6, beeinträchtigt, und zwar bei Ultraschall-Wandler mit relativ niedrigem Übertragungsmaß besonders stark. Durch die kalottenförmige Formgebung der Abstrahlfläche 8 werden sol­ che parasitären Schwingungen drastisch verkleinert, zumindest im Bereich des Nutzmodes. Dadurch steigt die vom Ultraschall- Wandler im Empfangsbetrieb abgegebene Echospannung stark an.

Claims (5)

1. Richtscharfer Ultraschall-Wandler mit einem Piezokörper (1) mit Elektroden (2, 3), mit einer am Piezokörper (1) angebrach­ ten Anpassungsschicht (4) und mit einem den Piezokörper (1) um­ gebenden, an der Anpassungsschicht (4) befestigten Beschwerungs­ ring (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsschicht (4) eine schwach kalottenförmig gekrümmte Oberfläche (8) als Abstrahlfläche für Ultraschall aufweist, derart, daß im Nutzfrequenzbereich gelegene parasitäre Schwin­ gungsmoden zumindest weitgehend unterdrückt werden.

2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser (D) der Anpas­ sungsschicht (4) etwa 50 mm und daß der Kugelradius (r) der Ku­ gelkalotte der kalottenförmigen Oberfläche (8) etwa 5 m beträgt.

3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Beschwerungsring (6) aus einem Metall wie Kupfer besteht.

4. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch­ messer (d) des Piezokörpers (1) etwa halb so groß ist wie der Durchmesser (D) der Anpassungsschicht (4) und des Beschwerungs­ rings (6).

5. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo­ körper (1) ein piezoelektrischer Keramikkörper ist, der mit zwei Elektroden (2, 3) zum Anschluß an eine Wechselspannungs­ quelle versehen ist.