DE4120681A1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallwandler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 31 37 745 ist schon ein Ultra­ schallwandler bekannt, der als Topfwandler ausgebildet ist. An be­ stimmten Stellen seines Topfes ist als Dämpfungsmaterial eine Ver­ gußmasse angebracht, die beim Senden des Ultraschallwandlers die Ausbreitung des Schalls in den bedämpften Richtungen sehr stark un­ terdrückt. Die Schallausbreitung in Richtung des nicht bedämpften Schalltrichters erfolgt unbedämpft mit entsprechend hoher Energie.

Beim Empfang von Schallwellen ist die Empfindlichkeit an den be­ dampften Stellen des Schalltrichters besonders gering, so daß Schallwellen im wesentlichen nur aus den unbedämpften Richtungen empfangen werden können.

Derartige Topfwandler haben die Eigenschaft, daß der Abstrahlwinkel in der bedämpften Richtung relativ klein ist, während er in der un­ bedämpften Richtung relativ groß ist. Möchte man beispielsweise Hin­ dernisse im Rückraum eines Kraftfahrzeuges lückenlos erkennen, dann müssen mehrere derartige Sensoren nebeneinander angeordnet wer­ den.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Membran bzw. das Gehäuse durch deren Ausbildung die gewünschte Dämpfung bewirkt, so daß keine Vergußmassen erforderlich sind.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist besonders vor­ teilhaft, daß die Wandung der Membran an zwei gegenüberliegenden Seiten verstärkt ist. Dadurch wird die Herstellung des Ultraschall­ wandlers besonders einfach und kostengünstig.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist von Vorteil, daß für den Ul­ traschallwandler eine etwa rechteckförmige Gehäuseform mit entspre­ chender, angepaßter Membran verwendet wird. Dadurch kann in vorteil­ hafter Weise auf zusätzliche Dämpfungsmittel verzichtet werden, da bei einem Ultraschallwandler, der auf der ersten Grundwelle betrie­ ben wird, die Ausbildung von Nebenkeulen durch die Form der Membran verhindert wird.

Ordnet man den Ultraschallwandler mit einer langen Seite parallel zur Fahrzeugebene an, dann ist der Abstrahlwinkel für die Ultraschallkeule in vertikaler Richtung relativ schmal, während er in horizontaler Richtung sehr breit ist. Dadurch kann beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug der interessierende Bereich für die Abstands­ messung mit wenigen Sensoren überwacht werden.

Diese Bauform ist ohne Mehrkosten, beispielsweise im Fließpreßver­ fahren herstellbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ultraschallwandlers möglich.

Eine günstige Ausführung des Ultraschallwandlers ergibt sich, wenn die rechteckförmige Membran zunächst mit einem ersten Piezo-Wandler belegt ist und auf diesen Piezo-Wandler ein zweiter kreisrunder Piezo-Wandler angeordnet ist. Durch Erregung des ersten und zweiten Piezo-Wandlers kann vorteilhaft in der horizontalen sowohl eine breite als auch eine schmale Schallkeule abgestrahlt werden. Durch Überlagerung der Ultraschallkeulen entstehen keine Lücken in der Ge­ samtcharakteristik für die Schallkeule. Daraus ergibt sich der Vor­ teil, daß in vielen Fällen auf den Schalltrichter verzichtet werden kann.

Eine weitere günstige Ausführungsform ist darin zu sehen, daß drei gleichartige Piezosensoren in Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Anregung kann sehr einfach insbesondere mit verschiedenen Fre­ quenzen gleich- oder gegenphasig erfolgen, so daß eine lückenlose Ultraschallkeule entsteht.

Preiswerte Ausführungsformen des Ultraschallwandlers ergeben sich, wenn das Gehäuse aus einem Kunststoff gefertigt wird, der durch ein einfaches Spritzverfahren besonders leicht verarbeitbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung entnehmbar.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und 1b grafische Darstellungen für die Ultraschallkeulen, Fig. 2 ein Schnittbild, Fig. 3a und b einen Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik, Fig. 4a und b ein erstes Ausführungsbei­ spiel, Fig. 5a und b ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 6a, b, c ein drittes Ausführungsbeispiel und Fig. 7a, b ein viertes Aus­ führungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a und b sind Diagramme dargestellt, die die Abstrahl­ charakteristik eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers wiederge­ ben. In Fig. 1a wird die horizontale Abstrahlcharakteristik wieder­ gegeben. Daraus ist zu sehen, daß die Dämpfung in der Hauptkeule der Ultraschallwellen im Bereich um 0^o gering ist. Bei zunehmendem Aus­ breitungswinkel ist die Dämpfung der Schallwellen etwas größer und wird in den Nebenkeulen im Bereich zwischen etwa 30 und 80^o wieder geringer. Die dargestellte Dämpfungskurve weist also eine weitwink­ lige Abstrahlcharakteristik in der Horizontalen auf.

In Fig. 1b ist die vertikale Abstrahlcharakteristik des Erfindungs­ gegenstandes dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die Dämpfung im 0^o-Bereich am geringsten ist, während sie mit zunehmenden Winkel immer größer wird. Die vertikale Abstrahlchrak­ teristik kann daher als schmalwinklig angesehen werden.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen bekannten Ultraschallwandler dargestellt, der die prinzipielle Funktion der Schallwellenerzeugung wiedergibt. Der auf der Membran 3 angeordnete Piezoschwinger 2 bewirkt bei Ansteuerung mit einem Wechselspannungssignal, daß die Membran 3 entsprechend der Frequenz der Ansteuerspannung deformiert wird und dadurch Schwingungen erzeugt. Der Piezoschwinger 2 ist zen­ trisch auf der Membran 3 aufgeklebt. Bei geeigneter Wahl des Durch­ messers des Piezoschwingers 2, beispielsweise ein Drittel des Mem­ brandurchmessers, wird die Membran 3 im mittleren Bereich gegenpha­ sig zu den benachbarten Bereichen schwingen. Die vom Sensor abge­ strahlte Ultraschallkeule entsteht aus der Überlagerung der von den drei Schwingungszentren ausgehenden Kugelwellen. So bildet sich in Vorwärtsrichtung eine starke Hauptkeule aus, die durch konstruktive Interferenz der beiden gleichphasig schwingenden Seitenbereiche ent­ steht. Konstruktive Interferenz liegt auch dann vor, wenn der Gang­ unterschied der beiden Teilwellen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt, was gemäß der Fig. 1a zu den Nebenkeulen führt. Beträgt der Gangunterschied, dann tritt destruktive Inter­ ferenz (Auslöschung) ein, was gemäß der Fig. 1a aus den stärker ge­ dämpften Bereichen bei etwa ±20 bis 25^o zu erkennen ist. Je nach­ dem, wie stark die Deformation der Membran 3 ist, bilden sich ent­ sprechende Hauptmaxima, beispielsweise in 0^o-Richtung, d. h. in Richtung der Flächennormalen zum Piezoschwinger bzw. Minima und Nebenmaxima aus.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird daher versucht, durch Dämpfung der Membran 3 an geeigneten Stellen und mit geeigne­ ten Mitteln die Ausbreitungscharakteristik der Ultraschallkeule so­ wohl bei der Grundwelle als auch bei der ersten Oberwelle zu beein­ flussen.

Bei einem aus der DE-OS 31 37 745 bekannten Ultraschallwandler wurde zur Bestimmung der Abstrahlcharakteristik unterhalb der Membran 3 und am Gehäuse 1 eine Vergußmasse aufgebracht, deren Härte unter­ schiedlich ist zu der der Membran 3 (Fig. 3a, b). Die Vergußmasse ist nachträglich nach der Montage der Membran in das Gehäuse einzu­ bringen. Beim Erfindungsgegenstand wird dagegen keine Vergußmasse benötigt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4a in Draufsicht und Fig. 4b im Schnitt dargestellt. Das Gehäuse 1 ist kreisringförmig ausgebildet und weist eine Membran 3 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seiten 4 verstärkt ausgebildet ist. Der Un­ terschied zum bekannten Ultraschallwandler besteht darin, daß die Membran 3 an den zwei gegenüberliegenden Seiten aus gleichem Ma­ terial verstärkt ausgebildet ist. Eine derartige Membran läßt sich sehr preiswert im Fließpreßverfahren herstellen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5a in Draufsicht und 5b im Querschnitt dargestellt. Es weist ebenfalls ein ringförmiges Gehäuse 1 auf, das aber etwa rechteckförmig oder oval ausgebildet ist und eine angepaßte Membran 3 aufweist. Auf die Mem­ bran 3 ist im Zentrum ein runder Piezoschwinger 2 angeordnet. Der wesentliche Vorteil dieses Ausführungsbeispiels gegenüber dem vorher beschriebenen besteht darin, daß die bedämpften Bereiche 4 der Mem­ bran 3 von vornherein entfallen. Da das Gehäuse 1 auch im Fließpreß­ verfahren herstellbar ist, sind die Herstellkosten mit denen des kreisrunden Ausführungsbeispiel vergleichbar niedrig.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6a in Draufsicht und in 6b und c in den Seitenansichten dargestellt. Es weist, wie das zweite Ausführungsbeispiel, ein etwa rechteckförmiges Gehäuse auf und hat eine entsprechend angepaßte Membranform. Auf der Innenseite der Membran ist zunächst ein Piezoschwinger 4 aufgeklebt, der nahezu die gesamte Membranfläche abdeckt. Auf den Piezoschwinger 4 ist ein runder Piezoschwinger 2 zentrisch aufgebracht. Der runde Piezoschwinger 2 entspricht dem Piezoschwinger der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.

Die Funktionsweise dieser Anordnung ist wie folgt: Der Piezoschwin­ ger 4, der nahezu die gesamte Membran 3 bedeckt, ist besonders dafür geeignet, die Membran 3 auf der Grundwelle anzuregen. Hierbei wird in der Horizontalen eine Schallkeule abgestrahlt, welche in ihrer Charakteristik der Hauptkeule ähnlich der Fig. 1b ist. Wegen der länglichen Ausdehnung der Membran 3 ist die Hauptkeule in der Hori­ zontalen breiter als in der Vertikalen. Der runde Piezoschwinger 2 regt die Membran samt aufgeklebtem Piezoschwinger 4 zu einer Schall­ abstrahlung mit einer Abstrahlcharakteristik an, wie sie bereits in Fig. 1a dargestellt ist. Wird nun wechselweise der Piezoschwinger 2 und der Piezoschwinger 4 angeregt, so wird in der Horizontalen ein­ mal eine schmale, das andere Mal eine breite Schallkeule angeregt, wobei sich beide Schallkeulen so überlagern, daß die Minima in der Charakteristik des Piezoschwingers 4 noch durch Schallkeulenteile des Piezoschwingers 2 aufgefüllt werden, so daß keine Lücken in der Gesamtcharakteristik entstehen.

Der besondere Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht also da­ rin, daß die Schallausbreitung in der Horizontalen über den gesamten Abstrahlbereich nahezu ungedämpft ist. Dadurch wird der Schalltrich­ ter entbehrlich, da keine Anteile der Nebenkeulen in die Lücken der Abstrahlcharakteristik zu reflektieren sind.

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist Fig. 7a in Drauf­ sicht und in Fig. 7b im Querschnitt dargestellt. Wie bei dem Aus­ führungsbeispiel weist das Gehäuse 1 eine etwa rechteckige Form auf. Die Membran 3 hat die gleiche Form wie zuvor beschrieben. Auf der Membran sind drei gleichartige Piezoschwinger 2 in Reihe nebeneinan­ der angeordnet. Je nach Art der Ansteuerung kann der Wandler wahl­ weise auf der Grundwelle oder auf der ersten Oberwelle angeregt wer­ den. Die Anregung auf der Grundwelle erfolgt dann, wenn alle drei Piezoschwinger 2 gleichzeitig und gleichphasig angesteuert werden. Die Anregung auf der ersten Oberwelle erfolgt dann, wenn der mittle­ re Piezoschwinger gegenphasig zu den beiden äußeren Piezoschwingern angeregt wird. Durch Intermittieren der Ansteuerung mit unterschied­ lichen Phaselagen kann eine breite Schallkeule ohne Minima erzeugt werden.

Die Lage der Minima und Maxima in der Schallfeldverteilung, wie sie in den Fig. 1a und 1b dargestellt wurden, ist frequenzabhängig. Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, daß durch Variation der Fre­ quenz (Wobbeln) die Lage der Minima und Maxima derart variiert wer­ den kann, daß im zeitlichen Mittel eine lückenlose Abstrahlcharakte­ ristik in der Horizontalen entsteht. Die starken Dämpfungsbereiche entfallen, so daß der Sensor in der Horizontalen in einem Bereich bis etwa 180^o nahezu die gleiche Empfindlichkeit besitzt.

Bei der Herstellung des Gehäuses werden im allgemeinen Metalle, bei­ spielsweise Aluminium verwendet. Die elastischen Eigenschaften der Metalle unterstützen die Schwingungsbildung der Schallwellen. Um die Bearbeitungskosten für die Metallgehäuse zu reduzieren, hat es sich als günstig erwiesen, die Gehäuse aus einem Kunststoff herzustellen. Besonders geeignet hierfür sind sogenannte flüssigkristalline Poly­ mere, die vergleichbare Eigenschaften bezüglich der Elastizität ha­ ben wie die verwendeten Metalle. Die Kunststoffgehäuse sind bei­ spielsweise in einem einfachen Spritzverfahren herstellbar.

Ultraschall-Wandler der beschriebenen Bauart weisen ein ausgeprägtes Nachschwingen auf, nachdem die zum Senden benötigte Energiezufuhr abgeschaltet wird. Dies ist dann störend, wenn ein und derselbe Ul­ traschall-Wandler sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Echos verwendet wird und wenn Echos mit kurzen Laufzeiten detektiert wer­ den sollen. In diesem Fall kann das Echosignal sich dem Signal des ausschwingenden Wandlers überlagern und nicht mehr mit einfachen Mitteln erkannt werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, die Membran 3 auf der Innenseite ganzflächig oder auf Teilflächen mit einer Bedämpfungsschicht auszugestalten, um das Nachschwingen der Membran 3 zu verkürzen. Dabei ist vorgesehen, als Bedämpfungsschicht eine Folie auf zukleben oder eine entsprechende Vergußmasse auf die Innenseite der Membran 3 zu gießen. Die Elasti­ zität der Bedämpfungsschicht ist so gewählt, daß die Membran während der Energiezufuhr bei der gewünschten Resonanzfrequenz schwingt. Nach Abschalten der Energiezufuhr soll die Schwingung möglich rasch abgeklungen sein.

Claims (13)

1. Ultraschallwandler mit einer zur Schwingung anregbaren Membran, die von einem ringförmigen Gehäuse eingefaßt ist, auf der mindestens ein Piezoschwinger angeordnet ist, und deren Schwingungscharakteri­ stik (Ultraschallkeule) in vorgegebenen Richtungen bedämpfbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) unterschiedliche Dicken aufweist, daß die dünnere Schicht in etwa rechteckförmig ausgebildet ist und daß im Bereich der dünneren Schicht der Piezoschwinger (2) angeordnet ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von dicken zu dünnen Schichten der Membran mindestens 2 : 1 ist.

3. Ultraschallwandler mit einer zur Schwingung anregbaren Membran, die von einem ringförmigen Gehäuse eingefaßt ist, auf der mindestens ein Piezoschwinger angeordnet ist, und deren Schwingungscharakteri­ stik in vorgegebenen Richtungen bedämpfbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Membran (3) und das Gehäuse (1) in etwa rechteckförmig ausgebildet sind und daß auf der Membran (3) mindestens ein vorzugs­ weiser runder Piezoschwinger angeordnet ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Piezoschwinger (4) zwischen dem ersten Piezoschwinger (2) und der Membran (3) angeordnet ist, der nahezu die Fläche der Membran (3) aufweist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoschwinger (2), (4) abwechselnd zur Schwingung anregbar sind.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Piezoschwingers (2) mindestens je ein weiterer Piezoschwinger angeordnet ist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd der mittlere oder die äußeren Piezoschwinger gleichpha­ sig oder gegenphasig anregbar sind.

8. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran (3) und/oder das Gehäuses (1) bedämpft ist, so daß die Schwingung auf die Grundwelle der Ultra­ schallkeule begrenzt ist.

9. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bedämpfung der Membran (3) auf die er­ ste Oberwelle der Ultraschallkeule begrenzbar ist.

10. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des mindestens einen Piezoschwingers (2, 4) mit einer Wechselspannung erfolgt, deren Fre­ quenz veränderbar ist.

11. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) für den Piezoschwinger ei­ nen elastischen Kunststoff, vorzugsweise ein flüssigkristallines Polymer aufweist.

12. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf der Innenseite der Membran (3) ganzflächig oder auf Teilflächen aufgebrachte Bedämpfungsschicht zur Verkürzung der Nachschwingdauer der Membran verwendbar ist.

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (1) über der Bedämpfungsschicht mit einer Vergußmasse ganz oder teilweise gefüllt ist.