DE69721728T2

DE69721728T2 - Ultraschallsende-/empfangsgerät

Info

Publication number: DE69721728T2
Application number: DE69721728T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Yamaguchi; Masahiro Kitajima-cho Toyohashi City Takada; Noboru Nomura; Osamu Kawasaki; Hirotaka Okazaki Kosai City Ishihara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: EP0874351A2; CN1197199A; JPH10294995A; EP0874351A3; CN1090887C; DE69721728D1; EP0874351B1; KR19980079513A; KR100296052B1; US6087760A

Description

Erfindungshintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein vibrierendes Element für ein Ultraschall-/empfangsgerät zur Verwendung bei einem Positionsortungsgerät oder einem Entfernungsmeßgerät oder dergleichen zur Ortung der Position oder der Entfernung eines Gegenstands mittels Ultraschallwellen.
Aus der US-A 4 556 814 ist ein Ultraschallsende-/empfangsgerät bekannt mit einem piezoelektrischen Element, welches Elektroden aufweist, die mit einem Ultraschallfrequenzsignal beaufschlagt werden oder ein solches abgeben, mit einem Vibrationszylinder, der eine zylindrische Seitenwand mit zwei Enden und eine obere Basiswand aufweist, die ein Ende des Zylinders abschließt, wobei das piezoelektrische Element an der oberen Basiswand fest angebracht ist und an einem Abschnitt der oberen Basiswand eine Nut ausgebildet ist, die einen Bereich umgibt, an dem das piezoelektrische Element fest angebracht ist, sowie mit einem Isoliersockel für den Abschluß des anderen Endes des Zylinders, sowie Anschlüssen, die durch den Isoliersockel hindurchtreten und elektrisch mit den genannten Elektroden verbunden sind.
Gemäß diesem Stand der Technik besitzt die Nut den Zweck, die von dem piezoelektrischen Element ausgehende Querwelle zu absorbieren oder zu entspannen und ist an den äußeren Umfang dieses Elements angrenzend angeordnet.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein vibrierendes Element für das oben erwähnte Ultraschallsende-/empfangsgerät zu schaffen, das in der Lage ist, auf der einen Seite ein Aus senden mit größerem Schalldruck und auf der anderen Seite einen Empfang mit größerer Empfindlichkeit zu schaffen.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Kurze Beschreibung der verschiedenen Figuren der Zeichnung:
1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt den Aufbau eines vibrierendes Elements eines Ultraschallsende/empfangsgeräts;
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt als Konzept einen durch Vibration verlagerten Zustand des vibrierenden Elements nach 1;
3 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform eines vibrierenden Elements;
4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführungsform eines vibrierenden Elements;
5 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführungsform eines vibrierenden Elements;
6 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines Ultraschallsende-/empfangsgeräts nach der Erfindung;
7 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt einen anderweitigen Aufbau eines vibrierenden Elements;
8 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt einen alternativen Aufbau eines vibrierenden Elements.
Einzelbeschreibung der Erfindung
1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt den Aufbau eines vibrierenden Elements. Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt das vibrierende Element einen Vibrationszylinder 60, der aus einer zylindrisch geformten metallischen Seitenwand 71 mit ein verschlossenes oberes Ende und einen Boden besteht. Der Vibrationszylinder 60 wird mittels eines bekannten Metallformverfahrens hergestellt, wie durch Gesenkschmieden. Eine piezoelektrische Scheibe 70, die ein plattenförmiges piezoelektrisches Element darstellt, ist an einer Innenseite einer oberen Basiswand 71b angebracht, welche die Oberseite des Vibrationszylinders 60 bildet. An den oberen und unteren Seiten, d. h. den Hauptseiten der piezoelektrischen Scheibe 70, sind Elektroden ausgebildet. Die Elektrode an der Oberseite der piezoelektrischen Scheibe 70 ist derart am Vibrationszylinder 60 angeklebt, daß eine elektrische Verbindung hergestellt ist. Der offene Boden des Vibrationszylinders 60 ist durch eine Basis 72 geschlossen, die ein Kunststoffdeckel ist. Die Basis 72 ist mit zwei Kontaktstiften 73 und 74 versehen. Der Kontaktstift 73 ist mit dem Vibrationszylinder 60 elektrisch verbunden, während der andere Stift 74 mit der Elektrode an der unteren Fläche der piezoelektrischen Scheibe 70 elektrisch verbunden ist. Der Vibrationszylinder 60 ist aus einem Metall hoher Festigkeit hergestellt, wie aus rostfreiem Stahl, und die piezoelektrische Scheibe 70 ist an seiner oberen Innenfläche angeklebt, wie in 1 gezeigt ist. Eine Nut 71a umgibt den Umfangsbereich der oberen Innenfläche rund um die piezoelektrische Scheibe 70, mit anderen Worten, die Nut 71a ist der Innenfläche 64 der zylindrischen Seitenwand 71 benachbart bzw. an dieser angrenzend angeordnet. Somit ist der Vibrationszylinder 60 ein zylindrischer Metallvibrator mit einem hohlen Innenraum und einem offenen Ende; wird an die Kontaktstifte 73, 74 eine Wechselspannung mit einer Ultraschallfrequenz angelegt, vibriert dieser Metallvibrator mit der Ultraschallfrequenz und sendet eine Ultraschallwelle aus.
Die Größe des Schalldrucks der Aussendung bzw. Abstrahlung des Vibrationselements wird durch das Verlagerungsvolumen bestimmt, wenn der metallische Vibrationsbereich vibriert. Um die Schalldruckabstrahlung des Vibrationselements zu vergrößern, muß deshalb der Betrag der Verlagerung der oberen Basiswand 71b des Vibrationszylinders 60 durch Deflektion so groß wie möglich gemacht werden. Dies wird dadurch erreicht, daß an die Innenfläche 64 der zylindrischen Seitenwand 71 angrenzend eine Nut 71a angeordnet wird, wie oben erwähnt.
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und verdeutlicht das Konzept des in 1 gezeigten Vibrationselements unter der Bedingung der Verlagerung bzw. Ausbiegung bzw. Deflektion durch Vibration. Der in 1 gezeigte Vibrationszylinder 60 besitzt eine Nut 71a mit einem rechteckigen Querschnittsabschnitt, die in dem Umfang der Innenseite der oberen Basiswand 71b ausgebildet ist. Dies dient zur Vergrößerung des Betrags der durch Ausbiegung erfolgenden Verlagerung der oberen Innenfläche bzw. der oberen Basiswand des Vibrationszylinders 71, wodurch die Schalldruckabgabe vergrößert wird. Ferner sind die piezoelektrische Scheibe 70 und die Verdrahtungsabschnitte der Kontaktstifte 73, 74 in dem Raum aufgenommen, der durch den Vibrationszylinder 60 und einen Isolierdeckel 72 eingeschlossen ist.
In den 3, 4 und 5 sind modifizierte Ausführungsformen des Vibrationselements nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die in den 3, 4 und 5 gezeigten Vibrationselemente sind derart aufgebaut, daß sie so viel wie möglich den Betrag an Auslenkungsverlagerung der vibrierenden oberen Basiswand 71b vergrößern, um die Schalldruckabstrahlung zu vergrößern.
Das in 3 gezeigte Vibrationselement unterscheidet: sich von dem Vibrationselement nach Anspruch 1 in der Form der Ringnut 91a, die rund um den Umfang der piezoelektrischen Scheibe 70 auf der Innenseite der oberen Basiswand 71b des Vibrations zylinders 61 ausgebildet ist; d.h. die Nut ist im Querschnitt keilförmig mit einem spitzen Winkel. In anderer Hinsicht ist die Konstruktion derjenigen des Vibrationselements nach 1 entsprechend, und diejenigen Teile in 3, die die gleiche Funktion und den gleichen Aufbau wie die früher gezeigten aufweisen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden.
Bei dem in 4 gezeigten Vibrationselement ist auf der Innenseite der oberen Basiswand 101b des Vibrationszylinders 32 keine Nut ausgebildet, stattdessen ist auf der Außenseite der oberen Basiswand 101b des Vibrationszylinders 32 eine Ringnut 101a ausgebildet, und zwar in der Position, die der Position rund um den Umfangsbereich der oberen Innenfläche der oberen Basiswand 71b, rund um die piezoelektrische Scheibe 70, gegenüber liegt In anderer Hinsicht ist der Aufbau der gleiche wie beim Vibrationselement nach Anspruch 1, und diejenigen Teile in 4, die bezüglich Funktion und Konstruktion den früher dargestellten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden.
Das in 5 gezeigte Vibrationselement besitzt einen abgeschrägten Teil, der auf der oberen Außenseite des Vibrationszylinders 63 ausgebildet ist, und eine Ausdünnung 111 darstellt. Wie in 5 gezeigt ist die Gestalt des Vibrationszylinders 63 derart, daß die Dicke des abgeschrägten Bereichs reduziert ist, um eine solche Ausdünnung 111a im Vergleich mit der Dicke der oberen Basiswand darzustellen, wo die piezoelektrische Scheibe 70 angeklebt ist. In anderer Hinsicht ist der Aufbau der gleiche wie bei dem Ultraschallsende-/empfangsgerät nach Anspruch 1, und diejenigen Teile in 5, die bezüglich ihrer Funktion und ihrer Konstruktion den früher gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Als nächstes ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben. 6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt. Diejenigen Teile, die bezüglich Funktion und Konstruktion den jenigen beim Ultraschallsende-/empfangsgerät nach 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in 1 versehen.
An den Vibrationszylinder 61 des Vibrationselements ist ein Kegel 120 als ein hohles konisch geformtes Diaphragma angebracht. Dies dient dazu, die Schalldruckabstrahlung des Vibrationselements im Vergleich mit den vorhergehenden Ausführungsformen weiter zu erhöhen. Der Vibrationsknoten des Kegels 120 liegt auf symmetrischen Positionen rund um die Mittelachse des Kegels 120. Ferner ist ein Ultraschall-Wellenreflektor 121, der ein offenes Ende aufweist, am Vibrationszylinder 60 angebracht, um der Phase der von der rückwärtigen Fläche des Kegels 120 ausgesandten Ultraschallwelle zu entsprechen. Auf diese Weise erreicht das Vibrationselement eine große Abstrahlung und eine scharfe Richtungshaltigkeit, während es zur gleichen Zeit Schutz gegen Wassertropfen und Staub bietet.
Wie oben beschrieben und entsprechend diesen Ausführungsformen ist die Dicke desjenigen Abschnitts der oberen Basiswand des Vibrationszylinders, der den Bereich umgibt, wo die piezoelektrische Platte 70 befestigt ist, im Vergleich mit dem Mittelabschnitt derselben reduziert, um die Amplitude der Vibrationsplatte des Vibrationszylinders zu vergrößern. Dies führt zu einem Aufbau eines Vibrationselements, das bezüglich seiner Größe kompakt und in der Lage ist, eine starke Aussendung bzw. eine große Abstrahlung zu erzeugen.
Weitere Beispiele des Vibrationselements werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.
7 ist eine Seitenansicht im Querschnitt, welche den Aufbau eines anderen Vibrationselements zeigt. In 7 werden diejenigen Elemente, die bezüglich ihrer Funktion und ihres Aufbaus denjenigen der Vibrationselemente der vorhergehenden Ausführungsformen gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird eine erläuternde Beschreibung dieser Elemente weggelassen.
Wie in 7 gezeigt ist, umfäßt ein Vibrationszylinder 130 eine scheibenförmige Vibrationsplatte 131 als obere Basiswand und ein zylindrisches Element mit einem offenen oberen Ende und einem offenen unteren Ende, wobei die Vibrationsplatte 131 eine obere Basiswand bildet, die derart angebracht ist, daß sie das offene obere Ende des eine Seitenwand 132 besitzenden zylindrischen Elements abschließt. Die piezoelektrische Scheibe 70 ist an der unteren Fläche 131a der Vibrationsplatte 131 fest angebracht, und die Elektrode auf der oberen Fläche der piezoelektrischen Scheibe 70 ist mit der Vibrationsplatte 131 elektrisch leitend verbunden bzw. verklebt.
Die Bedingung der Vibrationsverlagerung des Vibrationselements dieser Ausführungsform ist durch den Betrag der biegsamen Verlagerung der Vibrationsplatte 131 bzw. der oberen Basiswand angezeigt, entsprechend derjenigen, die bei der ersten Ausführungsform in 2 gezeigt ist. Bei dem Vibrationselement dieser anderen Ausführungsform umgibt eine Nut 130a den Vibrationszylinder 130 längs der Innenfläche 64 desselben. Dementsprechend ist die Vibrationsverlagerung innerhalb der Nut 130a groß, während auf der anderen Seite der Betrag an Vibrationsverlagerung außerhalb der Nut 130a extrem klein ist. Dieser Aufbau reduziert auf signifikante Weise die innere Beanspruchung, die an der Verbindung zwischen der Vibrationsplatte 131 und der zylindrischen Seitenwand 132 auftritt. Im Ergebnis beeinflussen der Aufbau und die Gestalt des Vibrationszylinders 130 im Vibrationselement dieser Ausführungsform nicht den Betrag der biegsamen Verlagerung der Vibrationsplatte 131, so daß eine Vergrößerung des Schalldruckausgangs des Vibrationselements erzielt werden kann.
Das Vibrationselement nach dieser Ausführungsform kann dadurch hergestellt werden, daß die piezoelektrische Scheibe 70 und die Vibrationsplatte 131 zusammengeklebt und dann die Vibrationsplatte 131 an die zylindrische Wand 132 angeklebt wird. Auf diese Weise kann bei dem Vibrationselement nach dieser Ausführungsform der Vibrationszylinder 130 die Vibrationsplatte 131 und die zylindrische Seitenwand 132 umfassen. Deshalb braucht gemäß dieser Ausführungsform der Vibrationszylinder 130 nicht als eine einstöckige Einheit durch spanabhebende Metallbearbeitung hergestellt zu werden. Auf diese Weise läßt sich ein preiswertes und einfach herzustellendes Vibrationselement erzielen, welches die Herstellungskosten drastisch senkt.
Als nächstes wird ein spezielles Beispiel einer alternativen Konstruktion des Vibrationselements der anderen Ausführungsform beschrieben.
8 ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt eine alternative Konstruktion. Das Vibrationselement dieses Beispiels umfaßt eine scheibenförmige Vibrationsplatte 143 als eine obere Basiswand und ein zylindrisch geformtes Element mit einer zylindrischen Seitenwand 144 mit einem offenen oberen Ende und einem offenen unteren Ende. An einer Endfläche des offenen oberen Endes der zylindrischen Seitenwand 144 ist eine Stufe 144a vorgesehen. Die Vibrationsplatte 143 ist in. dieser Stufe 144a eingepaßt, um das offene obere Ende der zylindrischen Seitenwand 144 zu verschließen. In anderweitigen Hinsicht ist der Aufbau des in 8 gezeigten Vibrationselements der gleiche wie derjenige des in 7 gezeigten Vibrationselements. Da der Verbindungsbereich des Vibrationszylinders 140 außerhalb des Vibrationsabschnitts der Vibrationsplatte 143 ausgebildet ist, beeinflußt Spannung infolge der biegsamen Verlagerung der Vibrationsplatte 143 den Verbindungsbereich nicht negativ. Im Ergebnis bleibt das in 8 gezeigte Vibrationselement am Verbindungsbereich frei von Brüchen und ist deshalb in seiner Konstruktion höchst verläßlich.

Claims

Ein Ultraschall-Sende/-Empfangsgerät mit einem piezoelektrischen Element (70), welches Elektroden aufweist, die mit einem Ultraschallfrequenzsignal beaufschlagt werden oder ein solches abgeben, einem Vibrationszylinder (60; 61; 62; 63; 130; 140), der eine zylindrische Seitenwand (71; 91; 101; 111; 132; 144) mit zwei Enden und eine obere Basiswand (71b; 91b; 101b; 131; 143) aufweist, die ein Ende des Zylinders abschließt, wobei das piezoelektrische Element (70) an der oberen Basiswand (71b; 91b; 101b; 131; 143) fest angebracht ist und an einem Abschnitt der oberen Basiswand (71b; 91; 101b; 131; 143) eine Nut (71a; 91a; 101a; 130a) ausgebildet ist, die einen Bereich umgibt, an dem das piezoelektrische Element (70) fest angebracht ist, einem Isoliersockel (72) für den Abschluß des anderen Endes des Zylinders (60; 61; 62; 63; 130; 140), und Anschlüssen (73, 74) die durch den Isoliersockel (72) hindurchtreten und elektrisch mit den genannten Elektroden verbunden sind, wobei die Nut oder eine Ausdünnung (71a; 91a; 101a; 130a) an die Innenfläche (64) der zylindrischen Seitenwand (71; 91; 101; 111; 132; 144) angrenzend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Vibrationszylinder (60) ein hohles, konisch geformtes Diaphragma (120) angebracht ist, die Vibrationsknoten des Diaphragmas (120) an um die Mittelachse des Diaphragmas symmetrischen Stellen liegen, und daß ein ein offenes Ende aufweisender Ultraschallwellenreflektor (121) am Vibrationszylinder (60) angebracht ist, um die Phase der Ultraschallwelle an die jenige des Diaphragmas anzupassen und die von der rückwärtigen Fläche des Diaphragmas (120) abgestrahlte Ultraschallwelle zu reflektieren.
Ein Ultraschall-Sende/-Empfangsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Basiswand (131; 143) mit der zylindrischen Seitenwand (132; 144) verklebt ist.
Ein Ultraschall-Sende/-Empfangsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der offenen Endfläche der zylindrischen Seitenwand (144) ein Bund (144a) ausgebildet und die obere Basiswand (143) in diesen Bund (144a) eingepaßt ist, um die obere offene Endfläche der zylindrischen Seitenwand (144) zu schließen.