DE4413894A1 - Ultraschallwandler mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik - Google Patents

Description

Bei einer Reihe von Anwendungsfällen ist es erwünscht, daß die Strahlungs- bzw. Empfangscharakteristik eines Ultra­ schallwandlers nicht liniensymmetrisch ist, sondern asym­ metrisch. Das bedeutet, daß das abgestrahlte Feld in der einen Langschnittebene eine andere Ausdehnung hat als in der anderen senkrecht hierzu stehenden Längschnittebene. Eine derartige Feldverformung dient u. a. dazu, das Feld an den zu bestrahlenden Raum besser anzupassen. Dies kann gelten für Überwachungsanlagen, aber auch für Abstands­ warngeräte in Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Einrichtun­ gen ist es erwünscht, daß zum einen das Strahlungsfeld in der horizontalen Ebene einen großen Öffnungswinkel hat, während es in der hierzu senkrechten vertikalen Ebene ei­ nen nur kleinen Öffnungswinkel besitzt. Ein derartiges, im wesentlichen fächerförmiges Feld eines Abstandswarngerätes reagiert weniger stark auf am Boden befindliche, den Weg des Fahrzeugs nicht behindernde Unebenheiten, nimmt dafür aber auch stärker seitlich von der Symmetrieebene des Fahrzeugs befindliche Hindernisse wahr.

Es sind daher viele Vorschläge gemacht worden, wie die ge­ wünschte Verformung eines Feldes erreicht werden kann. Ei­ ne Reihe von Vorschlägen zielt darauf ab, die geometri­ schen Abstrahlungsverhältnisse für die Wellen zu ändern, etwa durch trichterförmige Geometrien. Derartige Maßnahmen sind aber nur wirksam, wenn die die Strahlung beeinflus­ senden geometrischen Flächen, die für eine Abschattung des Strahlungsfeldes sorgen sollen, im Vergleich zu der Wel­ lenlänge der Strahlung relativ groß sind. Die genannten Maßnahmen werden beispielsweise in der DE-OS 32 21 935, der DE-OS 38 12 182 oder in der EP-OS 048 958 beschrieben.

Eine andere Maßnahme geht dahin, Beugungserscheinungen der Wellen bei der Abstrahlung des Schallwandlers bzw. bei dessen Empfang, sich zunutze zu machen. So wird beispiels­ weise in der DE-OS 34 41 684 eine elliptisch ausgestaltete Membran beschrieben, die mit ihrer langen Achse senkrecht zur Bodenoberfläche ausgerichtet ist. Dabei wird der Ab­ strahlungswinkel in der Horizontalen sehr viel größer ist als in der Senkrechten. Einen ähnlichen Effekt erhält man gemäß der US-PS 4 437 032 durch gezieltes Einfügen von Dämpfungsmaterial in den Membrantopf eines Biegewandlers. Auch durch Verformung der Abstrahlungsfläche der Membran selbst (siehe EP-OS 308 899) wurde ein parallel zur Fahr­ ebene des Fahrzeugs fächerförmiges Ausstrahlungsfeld sowie ein entsprechendes Empfangsfeld erreicht.

Die Erfindung geht daher aus von einem Biegewandler der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gat­ tung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Form eines derartigen Wandlers anzugeben, die relativ einfach hergestellt werden kann und die zu einer altersbeständi­ gen, hinreichend genau produzierbaren asymmetrischen Form­ gebung des Strahlungs- bzw. Empfangsfeldes eines Ultra­ schallwandlers führt.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, von der Ab­ strahlungsfläche der Membran eine vorzugsweise kreisseg­ mentförmige Ausnehmung herauszunehmen bzw. diese Ausneh­ mung in die Membran einzuformen. Dabei kann die Membran an einen Beschwerungsring (siehe DE-OS 33 01 848) angekoppelt sein. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind in Weiterbildung der Erfindung aber besonders geeignet, für einen Biege­ wandler der sich aus den Merkmalen nach Anspruch 2 erge­ benden Konfiguration. Dabei wird gemäß der Erfindung aus dem die Membran des Schwingers tragenden Boden des Topfes zumindest ein Segment herausgenommen bzw. eine entspre­ chende Ausnehmung eingeformt. Dabei empfiehlt es sich ent­ sprechend Anspruch 1 besonders, wenn unterhalb des die Membran bildenden Bodens des Wandlertopfs eine umlaufende Nut eingeformt ist, welche beispielsweise eine Gummidich­ tung zu einem den Sensor aufnehmenden Gehäuse eingelegt werden kann.

Um das abgestrahlte Feld, insbesondere bei der Verwendung zur Abstandsmessung bei Abstandswanrgeräten in Fahrzeugen sowohl zum Boden hin als auch nach oben hin zu begrenzen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmals­ kombination nach Anspruch 3. Danach besitzt der Biegewand­ ler zwei einander symmetrisch gegenüberliegende kreisseg­ mentförmige Ausnehmungen in der Membran. Diese können beispielsweise beim Gießen des Topfes schon berücksichtigt werden oder in diesen durch spanende Formgebung eingeformt werden.

Eine besonders einfache Fertigung des Membrantopfes ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung aus den Merkmalen nach Anspruch 4. Danach kann insbesondere bei spanabhebender Formung dadurch mit relativ weiten Toleranzen gefertigt werden, als daß nur die Ausnehmung in ihrer sich längs der Mittelachse des Topfes erstreckenden Tiefe bis zu der Nut reichen muß. Die die Ausnehmung begrenzende Stirnfläche des Wandlertopfes wird dabei z. T. durch die innere Seiten­ wand der Nut gebildet.

Um sicherzustellen, daß der Innenraum des Wandlertopfes geschlossen bleibt und nicht durch die beiden o.g. Ausneh­ mungen eine in die Umgebung führende Öffnung am membran­ seitigen Ende erhält, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 5. Danach ist die Erstreckung der Membran zwischen den beiden Aus­ nehmungen in radialer Richtung größer als der Innendurch­ messer des Wandlertopfes. Die Ausnehmungen schneiden daher nicht den Innenraum des Wandlertopfes, der somit geschlos­ sen und dicht bleibt. Dabei sollen in vorteilhafter Wei­ terbildung der Erfindung entsprechende Merkmale nach An­ spruch 6 die parallel zur Symmetrieebene des Wandlers ver­ laufenden Seitenwände der Ausnehmungen auch zueinander selbst parallel sein.

Um mit Sicherheit den erwünschten Feldverlauf mit dem er­ findungsgemäßen Wandler zu erreichen, haben sich die in Anspruch 6 aufgeführten Abmessungen vielfach bewährt. Als Material für den Wandlertopf wird entsprechend den Merkma­ len nach Anspruch 7 vorzugsweise Aluminium eingesetzt, wo­ bei der Wandlertopf im Gießverfahren, aber auch durch spanabhebende Formung hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine Ansicht von hinten durch das offene Ende des Wandlertopfes in den Wandlertopf,

Fig. 2 eine Ansicht auf die Abstrahlungsfläche des Wand­ lertopfs von vorn gesehen,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 durch den Wandler und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie B-B durch den Wand­ ler in Fig. 2.

Die Beschreibung geht aus von einem Wandler, wie er bei­ spielsweise in der Anmeldung P 38 26 799.3 genannt ist. Ein anderer sehr ähnlicher Wandler ist in der Anmeldung P 39 39 387.9 beschrieben. Um Wiederholungen zu vermeiden, beschäftigt sich die nachfolgende Beschreibung nur mit der Ausgestaltung des Wandlertopfes. Gehäuse, Dämpfungsmate­ rial, Anschlußtechniken und die Anordnung der zugehörigen Leiterplatte werden daher an dieser Stelle nicht erläutert und kommen z. B. in der DE-OS 38 26 799.

Fig. 3 zeigt den Schnitt durch einen Wandlertopf 1, wel­ cher zur Aufnahme von Dichtringen mit umlaufenden Nuten 2, 3 und 4 versehen ist. Der als ringförmige Beschwerung wirkende Zylinder 5 des Wandlers 1 ist an seinem Boden mit einer Membran 6 verschlossen. Fig. 1 zeigt die Sicht der Wandlers nach Fig. 3 gesehen aus der Richtung R in Fig. 3.

In diesen beiden Ansichten unterscheidet sich der erfin­ dungsgemäße Wandler nicht von den in den weiter oben ge­ nannten Literaturstellen beschriebenen bekannten Topfwand­ lern.

Für die Erfindung wichtig ist nun Fig. 2 und Fig. 4. Da­ nach sind aus den Seitenwänden des Zylinders 5 im Bereich der Membran 6 zwei Ausnehmungen 7, 8 herausgeschnitten, die eine kreissegmentförmige Kontur besitzen. Die Kontur der Ausschnitte 7 und 8 ist gut in Fig. 2 zu erkennen. Die kreissegmentförmigen Ausschnitte 7 und 8 haben zwei zuein­ ander parallel laufende Begrenzungsflächen 9 und 10, die im Einbauzustand des Wandlers als Abstandswarner in ein Fahrzeug parallel zu der Fahrbahnfläche ausgerichtet sind. Die Stirnflächen 11,12 sind kreissegmentförmig.

In Fig. 2 sind noch gestrichelt zwei Kanten 13, 14 darge­ stellt, die den Boden 15 (siehe Fig. 3) der Nut 2 dar­ stellen, bis zu dem hin die Ausnehmungen 7, 8 reichen. Fer­ ner kann der auf den Wandlertopf gemäß Fig. 2 schauende Betrachter noch die Nutwand 16 erkennen, die durch die Einformung der Ausnehmungen für den Betrachter sichtbar wird. Die Kante ist in Fig. 2 nur gestrichelt dargestellt, da es nicht zwingend ist, daß die Ausnehmungen 7, 8 so tief in den Zylinder 5 eingefügt sind. Bemerkenswert ist auch, daß durch das Einfügen der Ausnehmungen 7, 8 in der Schnittebene gemäß Fig) 4 zum Innenraum des Wandlers 1 hin nur eine dünne Wand 20, 21 stehen bleibt.

Die Resonanzschwingung des Wandlers sollte so gelegt sein, daß über der Membran eine Halbwelle der Schwingung steht, da dann mit Sicherheit die oben beschriebene, er­ wünschte Strahlungsform auftritt.

Claims (8)

1. Elektroakustischer Biegewandler, vorzugsweise in Topf­ form, mit einer Membran aus piezoelektrisch inaktiven Material, die mit einem Blättchen aus piezoelektrischem Material verbunden ist, welches im wesentlichen zentral auf der der Abstrahlungsfläche der Membran gegenüberlie­ genden Membraninnenfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an deren Randbereich der Abstrahlungsfläche der Membran (6) zumindest eine, vorzugsweise kreissegmentförmige, Ausnehmung vorgesehen ist.

2. Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er topfförmig ist und in die äußere Mantelfläche der zylinderförmigen Seitenwand un­ terhalb der Membran (6) eine umlaufende Nut (2) einge­ fügt ist.

3. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er zwei einander gegen­ überliegende Ausnehmungen aufweist, die eine kreisseg­ mentförmige Kontur besitzen.

4. Biegewandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die kreisseg­ mentförmigen Ausnehmungen (7, 8) in ihre Tiefe etwa bis zu der umlaufenden Nut (2) reichen.

5. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der kreissegmentförmigen Ausnehmungen (7, 8) in radialer Richtung kleiner als die Dicke der Zylinderwand des topfförmigen Biegewandlers ist.

6. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die paral­ lel zur Längsachse des Wandlertopfes verlaufenden Sei­ tenwände der Ausnehmungen (7, 8) zueinander parallel sind.

7. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wand­ lertopf etwa 14 mm hoch und die ringförmige Zylinder­ wand etwa 2,8 mm stark ist und die kreissegmentförmigen Ausnehmungen in radialer Richtung die größte Höhe von 2,3 mm haben, wobei der Außendurchmesser des Wandler­ topfes 16,5 mm beträgt.

8. Biegewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wand­ lertopf aus Aluminium gefertigt ist.