DE4215271A1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Gehäuse, das stirnseitig durch eine Membran abgeschlossen ist, an der innen ein piezoelektrischer Wandler befestigt ist. Dieser Ultraschallwandler soll sowohl für die Abstrah­ lung von Ultraschallwellen als auch zu deren Empfang als Ultraschallmikrofon geeignet sein und insbesondere in Ab­ standssensoren unter rauhen Umgebungsbedingungen einsetzbar sein.

Für Abstandssensoren werden Ultraschallwandler bevorzugt, deren Betriebsfrequenzen zwischen 60 und 400 kHz liegen, da erfahrungsgemäß in diesem Frequenzbereich die Störschallpe­ gel niedriger sind als bei Frequenzen unter 60 kHz. Mit sol­ chen Ultraschallwandlern lassen sich im erstgenannten Fre­ quenzgebiet richtscharfe Abstandssensoren nach dem Echolot­ prinzip aufbauen, die bei geringem Leistungsbedarf Abstands­ messungen von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern mit hoher Auflösung erlauben.

Bisher hat man dafür piezoelektrische Luft-Ultraschallwand­ ler eingesetzt, wie sie aus den deutschen Offenlegungs­ schriften 25 41 492 und 34 01 979 bekannt sind. Diese Ultra­ schallwandler bestehen aus einem zu Schwingungen anregbaren, scheibenförmigen piezoelektrischen Keramikkörper und einer an dessen Stirnfläche angebrachten Koppelschicht, die zumin­ dest im Bereich des piezoelektrischen Keramikkörpers eine Dicke von lambda/4 hat, wobei lambda die Wellenlänge der Ultraschallwelle im Material eines Koppelkörpers ist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des piezoelektri­ schen Keramikkörpers und dessen akustische Impedanz zwischen derjenigen des piezoelektrischen Keramikkörpers und derjeni­ gen des Mediums liegt, in das die Schallwelle abgestrahlt werden soll.

Als bevorzugtes Material des Koppelkörpers wird dabei ein Schaumstoff verwendet, bei dem Quarz- oder Glashohlkugeln in Epoxidharz eingebettet sind. Dieser Werkstoff, der die An­ forderungen bezüglich der akustischen Anpassung gut erfüllt, besitzt aber nur eine geringe Resistenz gegenüber den Ein­ wirkungen von Luftfeuchte, Spritzwasser und diversen Chemi­ kalien. Auch auftreffende Schweißperlen und geringfügige mechanische Einwirkungen führen zu einer Zerstörung der Kop­ pelschicht und damit zur Unbrauchbarkeit des Ultraschall­ wandlers.

Bekannt sind weiterhin Luft-Ultraschallwandler, die nach dem Prinzip der piezoelektrischen Biegeplatte arbeiten (VALVO Hrsg., Piezoxide-Wandler - Grundlagen und Anwendungen, Ham­ burg 1968, S. 60-61). Bei diesen Ultraschallwandlern ist an der Innenseite des Bodens eines topfförmigen Gehäuses vorzugsweise aus Aluminium oder aus Stahl ein piezoelektri­ scher Wandler aus Keramik befestigt, so daß bei elektrischer Anregung desselben der Boden als schwingende Membran wirkt und über dessen Außenseite die Abstrahlung der Ultraschall­ wellen erfolgt, bei Betriebsfrequenz und akustischer Wir­ kungsgrad durch die geometrischen Abmessungen des Bodens und des Wandlers bestimmt werden.

Erfahrungsgemäß lassen sich damit Luft-Ultraschallwandler mit ausreichendem Wirkungsgrad bis zu Betriebsfrequenzen von etwa 50 kHz auf bauen. Oberhalb dieser Frequenz nimmt der Wirkungsgrad dieser Wandler aufgrund der ungünstigen geome­ trischen Verhältnisse (kleiner Durchmesser, große Dicke) stark ab. Nachteilig ist bei diesen Ultraschallwandlern weiterhin, daß sie wegen der stark unterschiedlichen Wärme­ dehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien nur in einem eingeengten Temperaturbereich eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall­ wandler für den Frequenzbereich oberhalb 60 kHz und Anwen­ dung unter rauhen Umgebungsbedingungen zu schaffen, der ge­ nügend klein ist, einen geringen Energiebedarf, eine gute Richtcharakteristik und einen guten Wirkungsgrad besitzt so­ wie in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patent­ ansprüchen beschriebene technische Ausführung gelöst.

Die Erfindung ermöglicht durch den Einsatz von Aluminium­ oxidkeramik oder anderer technischer Keramik hoher mecha­ nischer und chemischer Beständigkeit und großer mechanischer Steifigkeit sowie an die piezoelektrische Keramik angepaßter Wärmedehnung überraschend die Erreichung von Frequenzberei­ chen der tiefsten Eigenschwingung um 100 kHz ohne die oben beschriebenen Nachteile. Die Herstellung des topfförmigen Gehäuses, dessen Boden zugleich die abstrahlende Membran bildet, bietet herstellungstechnische Vorteile und ergibt insgesamt eine gegen aggressive Umgebungseinflüsse unem­ pfindliche Einrichtung, die in einem weiten Temperaturbe­ reich einsetzbar ist.

Infolge der dynamischen Eigenschaften von Gehäuse- und Mem­ branmaterial ergibt sich ein günstigeres Impulsverhalten.

Insbesondere bei monolithischer Ausführung des Gehäuses las­ sen sich durch keramische Formgebungsverfahren vor dem Sin­ tern komplizierte Formen in einfacher Weise herstellen.

Die Innenmetallisierung des Gehäuses erlaubt eine einfache elektrische Kontaktierung derjenigen Elektrode des piezolek­ trischen Wandlers, die mit der Innenseite des Gehäusebodens fest verbunden ist und dient gleichzeitig als elektromagne­ tische Abschirmung der ganzen Einrichtung.

Wählt man für Gehäuse und Membran unterschiedliche kerami­ sche Werkstoffe, insbesondere derart, daß der Werkstoff des eigentlichen Gehäuses eine höhere Dichte aufweist als der­ jenige der Membran, so lassen sich die Schwingungseigen­ schaften der ganzen Einrichtung vorteilhaft beeinflussen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beigefügte Zeichnung zeigt eine erfin­ dungsgemäße Einrichtung in vergrößerter Schnittdarstellung.

Ein Auflagekörper 1 und eine damit verbundene Membran 2 bil­ den ein Gehäuse mit einer Außenkontur 3, die die schallab­ strahlende Fläche der Einrichtung bestimmt. Die Innenfläche des Gehäuses weist eine nicht dargestellte Metallisierungs­ schicht auf. Ein piezoelektrischer Wandler 4 aus Keramik, der an seinen gegenüberliegenden Hauptflächen mit metalli­ schen Elektroden versehen ist, ist mit einer seiner Haupt­ flächen elektrisch leitend mit der metallisierten Innenseite der Membran 2 verbunden und bildet mit dieser zusammen einen piezoelektrischen Biegeschwinger. Die Speisung dieser Elek­ trode erfolgt über die Innenmetallisierung, einen Verschluß­ deckel 5 aus Stahl und einen nicht isolierten Anschlußstift 6. Die auf der freien Hauptfläche des piezoelektrischen Wandlers 4 aufgebrachte Elektrode ist über einen auf der Elektrode aufgelöteten Anschlußdraht 7 mit einem im Ver­ schlußdeckel 5 isoliert angebrachten Anschlußstift 8 ver­ bunden.

Claims (9)

1. Ultraschallwandler mit einem Gehäuse, das stirnseitig durch eine Membran abgeschlossen ist, an der innen ein pie­ zoelektrischer Wandler stoffschlüssig befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus Keramik besteht.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auch das Gehäuse (1) aus Keramik besteht.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wandler (4) an der Membran (2) ange­ klebt ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wandler (4) an der Membran (2) angelö­ tet ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wandler (4) an der Membran (2) ange­ sintert ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Gehäuse (1) und Membran (2) innen metallisiert sind.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallisierung Anschlußleitungen des Wandlers (4) bildet.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkstoff des Gehäuses (1) eine andere Dichte hat als derjenige der Membran (2).

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) und die Membran (2) als mono­ lithischer, nach keramischer Technologie geformter Körper ausgebildet sind.