EP0128450A2 - Ultrasonic transducteur - Google Patents

Ultrasonic transducteur Download PDF

Info

Publication number
EP0128450A2
EP0128450A2 EP84106099A EP84106099A EP0128450A2 EP 0128450 A2 EP0128450 A2 EP 0128450A2 EP 84106099 A EP84106099 A EP 84106099A EP 84106099 A EP84106099 A EP 84106099A EP 0128450 A2 EP0128450 A2 EP 0128450A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic transducer
reflector
ultrasonic
transducer
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP84106099A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0128450A3 (en
Inventor
Reinhard Dr. Lerch
Günther Gräbner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0128450A2 publication Critical patent/EP0128450A2/en
Publication of EP0128450A3 publication Critical patent/EP0128450A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/28—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflectors
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/32—Sound-focusing or directing, e.g. scanning characterised by the shape of the source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor for object detection in air or other gases, which contains a first ultrasonic transducer with a piezo body as a transmitter.
  • Sensors are devices that are designed to take physical parameters, e.g. Can determine or prove pressure, temperature, position or speed in a measuring range.
  • a sensor is, for example, an ultrasonic proximity switch that can detect objects or people.
  • object detection with inductive or capacitive proximity switches is problematic.
  • the ultrasonic proximity switches can also detect small objects more reliably. Almost all materials are suitable for this type of object detection.
  • Ultrasonic transducers are provided for such ultrasonic echo sounder systems, which generate a sound beam with a particularly small opening angle. In this way, disruptive reflections of the ultrasound can be avoided, so that a particularly high resolution can be achieved and objects that are close to one another can be distinguished.
  • the dimensions are essentially the same for an ultrasonic transducer predetermined by the intended operating frequency and the material of the converter.
  • the dimensions of the ultrasound transducer also determine the size of the sound radiation area of the transducer, the size of the sound radiation area essentially determining the opening angle of the sound beam generated. With an operating frequency of approximately 49 kHz and lead zirconate titanate PZT as the material for the converter, for example, there is an opening angle of approximately 10 ° to 12 °.
  • An ultrasonic transducer which contains a piezo body, a Z / 4 matching layer and a weighting ring.
  • On an end face of the piezo body is the; L / 4 matching layer arranged, the diameter of which is significantly larger than the diameter of the piezo body.
  • the ring-shaped surface area of the ⁇ / 4 adaptation layer which projects beyond the edge of the piezo body is provided with the weighting ring (German specification 25 41 492).
  • the weighting ring ensures that a large area, the dimensions of which are substantially larger than the end face of the piezo body, is excited to vibrate in phase.
  • an ultrasonic proximity switch which works as a distance sensor without contact or contact.
  • the core of this proximity switch is a piezoceramic ultrasonic transducer that works in air or other gases.
  • the object to be detected is used as an ultrasound reflector, the usable detection range being between 20 cm and 100 cm and the unusable close range between 0 cm and 20 cm.
  • the objects to be detected can be solid, liquid or powdery with a flat, smooth, polished or matt surface.
  • the material of these surfaces can be transparent or of any color (H.CH. Münzing "Distance Sensor for Large Switching Distances" etz Vol. 103 (1982), No. 10, pages 518 and 519).
  • This ultrasonic proximity switch can only detect objects suitable for reflection, the reflection surface of which is arranged perpendicular to the sound beam axis within the half-value width. Deviations of ⁇ 3 ° from the perpendicular to the axis of the sound beam are permissible.
  • the invention is based on the object of specifying an ultrasonic sensor for object detection in air or other gases, the reception aperture of which is enlarged so that objects can also be detected whose reflection surface normals about an object position angle which are substantially greater than ⁇ 3 ° to the sound beam axis are inclined.
  • the surface of the second ultrasonic transducer facing the reflector forms a dome.
  • This calotte can consist of several flat individual oscillators, which are arranged in a facet construction.
  • the second ultrasonic transducer can contain a plurality of ring-shaped individual oscillators and a cone, the lateral surfaces of which result in the spherical shape.
  • the second ultrasound transducer contains a support body, which is designed as a section of a sphere, and a piezoelectric plastic film, which is applied to this sphere section.
  • the support body is provided as a hard backing with respect to the piezoelectric plastic film.
  • This piezoelectric plastic film can consist, for example, of polyvinylidene fluoride PVDF. This design results in a simple construction of the second ultrasound transducer.
  • an ultrasound sensor 2 for object detection in air or other gases is illustrated.
  • This ultrasound sensor 2 contains a first ultrasound transducer 4, a reflector 6 and a second ultrasound transducer 8.
  • the first ultrasound transducer 4 contains a disk-shaped piezo body 10 which is provided on one of its two flat sides with a 2/4 adaptation layer 12, which is, for example, essential has larger dimensions than the piezo body 10.
  • the protruding area of the 2/4 adaptation layer 12 is connected to a weighting ring 14 on the side of the piezo body 10.
  • the 2/4 adaptation layer 12 consists of a material whose acoustic sound wave resistance has a dimension which lies between the size of the sound wave resistance of the piezo body 10 and the size of the sound wave resistance of the medium in which the sound is to propagate.
  • the second ultrasound is in the first focal point, ie in the focal point close to the reflector converter 8 arranged.
  • the diameter D of the reflector 6 is dependent on the object distance a, which indicates the distance between the two focal points of the ellipsoid, and on the possible object position angle ⁇ , the angle which is included by the sound beam axis 16 and the reflection surface normal of the object 18 to be detected.
  • the relationship between diameter D, object distance a and object position angle ⁇ can be determined by the following equation represent.
  • the object position angle is approximately ⁇ 14 °, for example.
  • an angle of, for example, approximately ⁇ 7 ° results for the object position angle ⁇ at a predetermined object distance a of approximately 80 cm and a predetermined diameter D of approximately 20 cm.
  • the second ultrasonic transducer 8 is arranged in the first focal point of the reflector 6.
  • the surface 20 of the second ultrasonic transducer 8 facing the reflector 6 forms a dome.
  • the surface 21 of the second ultrasonic transducer 8 facing away from the reflector 6 is arranged parallel to the end faces of the first ultrasonic transducer 4.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the second ultrasonic transducer 8, which is arranged in the first focal point of the reflector 6.
  • the surface 20 of the second ultrasonic transducer 8 facing the reflector 6 forms a dome.
  • This calotte consists of several individual oscillators 22, which are arranged in a facet construction.
  • the second ultrasonic transducer 8 contains a plurality of annular individual oscillators 24 and a cone 26.
  • the lateral surfaces 28 of the annular individual oscillators 24 and the cone 26 result in the spherical shape of the second ultrasonic transducer 8.
  • the second ultrasound transducer can be used to detect 8 sound waves from the solid angle range given by the reflector 6.
  • the second ultrasonic transducer 8 contains a support body 30 and a piezoelectric plastic film 32.
  • the support body 30 is designed as a section of a ball and is also provided as a hard backing with respect to the piezoelectric plastic film 32.
  • the piezoelectric plastic film 32 is applied to the curved outer surface of the support body 30.
  • This piezoelectric plastic film 32 can be made of polyvinylidene fluoride PVDF, for example. This configuration results in a simple construction of the second ultrasound transducer 8.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Der Ultraschall-Sensor (2) zur Objekterfassung in Luft oder anderen Gasen enthält einen ersten Ultraschallwandler (4) mit einem Piezokörper (10) als Sender. Erfindungsgemäß ist ein Reflektor (6) vorgesehen, dessen dem ersten Ultraschallwandler (4) zugewandte Oberfläche einen Abschnitt eines Ellipsoids bildet, und daß zwischen dem ersten Ultraschallwandler (4) und dem Reflektor (6) ein zweiter Ultraschallwandler (8) vorgesehen ist, der im ersten Brennpunkt des Reflektors (6) angeordnet ist. Außerdem bildet die dem Reflektor (6) zugewandte Oberfläche (20) des zweiten Ultraschallwandlers (8) eine Kalotte. Durch diese Vergrößerung der Empfangsapertur können Objekte erfaßt werden, deren Reflexionsflächennormale um einen Objektlagewinkel, die wesentlich größer sind als ±3°, zur Schallkeulenachse geneigt sind. Außerdem kann man auch Objekte mit einer gewölbten Reflexionsfläche eindeutig erfassen.The ultrasonic sensor (2) for object detection in air or other gases contains a first ultrasonic transducer (4) with a piezo body (10) as a transmitter. According to the invention, a reflector (6) is provided, the surface of which facing the first ultrasonic transducer (4) forms a section of an ellipsoid, and that a second ultrasonic transducer (8) is provided between the first ultrasonic transducer (4) and the reflector (6) first focal point of the reflector (6) is arranged. In addition, the surface (20) of the second ultrasonic transducer (8) facing the reflector (6) forms a dome. This enlargement of the reception aperture makes it possible to detect objects whose reflection surface normals are inclined by an object position angle, which are substantially greater than ± 3 °, with respect to the sound beam axis. In addition, objects with a curved reflection surface can also be clearly detected.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor zur Objekterfassung in Luft oder anderen Gasen, der einen ersten Ultraschallwandler mit einem Piezokörper als Sender enthält.The invention relates to an ultrasonic sensor for object detection in air or other gases, which contains a first ultrasonic transducer with a piezo body as a transmitter.

Sensoren sind Vorrichtungen, die so gestaltet sind, daß sie physikalische Parameter, wie z.B. Druck, Temperatur, Position oder Geschwindigkeit in einem Meßbereich, mengenmäßig bestimmen oder nachweisen können. Durch das Anwachsen der elektronischen, industriellen Prozeßkontrollsysteme ist die Nachfrage für komplexere Sensoren bei verhältnismäßig niedrigen Preisen gestiegen. Ein solcher Sensor ist beispielsweise ein Ultraschall-Näherungsschalter, der Objekte oder Personen erfassen kann. Im Schaltbereich von beispielsweise etwa 100 cm Abstand ist die Objekterfassung mit induktiven oder kapazitiven Näherungsschaltern problematisch. Außerdem können die Ultraschall-Näherungsschalter störsicherer auch kleine Objekte erfassen. So gut wie alle Werkstoffe sind für diese Art der Objekterfassung geeignet.Sensors are devices that are designed to take physical parameters, e.g. Can determine or prove pressure, temperature, position or speed in a measuring range. With the growth of electronic industrial process control systems, the demand for more complex sensors has increased at relatively low prices. Such a sensor is, for example, an ultrasonic proximity switch that can detect objects or people. In the switching range of, for example, about 100 cm distance, object detection with inductive or capacitive proximity switches is problematic. In addition, the ultrasonic proximity switches can also detect small objects more reliably. Almost all materials are suitable for this type of object detection.

Für solche Ultraschall-Echolot-Systeme sind Ultraschallwandler vorgesehen, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ultraschalls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann und nahe beeinanderliegende Objekte unterschieden werden können. Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfrequenz und das Material des Wandlers vorgegeben. Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt, wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im wesentlichen der Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequenz von etwa 49 kHz und Blei-Zirkonat-Titanat PZT als Material für den Wandler ergibt sich beispielsweise ein Öffnungswinkel von etwa 10° bis 12°.Ultrasonic transducers are provided for such ultrasonic echo sounder systems, which generate a sound beam with a particularly small opening angle. In this way, disruptive reflections of the ultrasound can be avoided, so that a particularly high resolution can be achieved and objects that are close to one another can be distinguished. The dimensions are essentially the same for an ultrasonic transducer predetermined by the intended operating frequency and the material of the converter. The dimensions of the ultrasound transducer also determine the size of the sound radiation area of the transducer, the size of the sound radiation area essentially determining the opening angle of the sound beam generated. With an operating frequency of approximately 49 kHz and lead zirconate titanate PZT as the material for the converter, for example, there is an opening angle of approximately 10 ° to 12 °.

Es ist ein Ultraschallwandler bekannt, der einen Piezokörper, eine 'Z/4-Anpassungsschicht und einen Beschwerungsring enthält. Auf einer Stirnfläche des Piezokörpers ist die ;L/4-Anpassungsschicht angeordnet, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser des Piezokörpers. Der über den Rand des Piezokörpers überstehende ringförmige Oberflächenbereich der λ/4-Anpassungsschicht ist mit dem Beschwerungsring versehen (deutsche Auslegeschrift 25 41 492). Durch den Beschwerungsring wird erreicht, daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich größer sind, als die Stirnfläche des Piezokörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird.An ultrasonic transducer is known which contains a piezo body, a Z / 4 matching layer and a weighting ring. On an end face of the piezo body is the; L / 4 matching layer arranged, the diameter of which is significantly larger than the diameter of the piezo body. The ring-shaped surface area of the λ / 4 adaptation layer which projects beyond the edge of the piezo body is provided with the weighting ring (German specification 25 41 492). The weighting ring ensures that a large area, the dimensions of which are substantially larger than the end face of the piezo body, is excited to vibrate in phase.

Ferner ist ein Ultraschall-Näherungsschalter bekannt, der berührungs- und kontaktlos als Distanz-Sensor arbeitet. Der Kern dieses Näherungsschalter ist ein piezokeramischer Ultraschallwandler, der in Luft oder anderen Gasen arbeitet. Bei der Betriebsart Näherungsschalter wird das zu erfassende Objekt als Ultraschall-Reflektor benutzt, wobei der nutzbare Erfassungsbereich zwischen 20 cm und 100 cm und der nicht nutzbare Nahbereich zwischen 0 cm und 20 cm liegt. Die zu erfassenden Objekte können fest, flüssig oder pulverförmig sein mit einer ebenen, glatten, polierten oder matten Oberfläche. Außerdem kann das Material dieser Oberflächen durchsichtig oder von beliebiger Einfärbung sein (H.CH. Münzing "Distanz-Sensor für große Schaltabstände" etz Bd. 103 (1982), Heft 10, Seiten 518 und 519).Furthermore, an ultrasonic proximity switch is known, which works as a distance sensor without contact or contact. The core of this proximity switch is a piezoceramic ultrasonic transducer that works in air or other gases. In the proximity switch operating mode, the object to be detected is used as an ultrasound reflector, the usable detection range being between 20 cm and 100 cm and the unusable close range between 0 cm and 20 cm. The objects to be detected can be solid, liquid or powdery with a flat, smooth, polished or matt surface. In addition, the material of these surfaces can be transparent or of any color (H.CH. Münzing "Distance Sensor for Large Switching Distances" etz Vol. 103 (1982), No. 10, pages 518 and 519).

Mit diesem Ultraschall-Näherungsschalter können nur für die Reflexion geeignete Objekte erfaßt werden, deren Reflexionsfläche senkrecht zur Schallkeulenachse innerhalb der Halbwertsbreite angeordnet sind. Abweichungen von ± 3° der Senkrechten zur Achse der Schallkeule sind zulässig.This ultrasonic proximity switch can only detect objects suitable for reflection, the reflection surface of which is arranged perpendicular to the sound beam axis within the half-value width. Deviations of ± 3 ° from the perpendicular to the axis of the sound beam are permissible.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Sensor zur Objekterfassung in Luft oder anderen Gasen anzugeben, dessen Empfangsapertur vergrößert ist, damit auch Objekte erfaßt werden können, deren Reflexionsflächennormale um einen Objektlagewinkel, die wesentlich größer sind als ± 3°, zur Schallkeulenachse geneigt sind. Außerdem soll man auch Objekte mit einer gewölbten Reflexionsfläche eindeutig erfassen können.The invention is based on the object of specifying an ultrasonic sensor for object detection in air or other gases, the reception aperture of which is enlarged so that objects can also be detected whose reflection surface normals about an object position angle which are substantially greater than ± 3 ° to the sound beam axis are inclined. In addition, you should also be able to clearly detect objects with a curved reflection surface.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die dem ersten Ultraschallwandler zugewandte Oberfläche einen Abschnitt eines Ellipsoids bildet und der zweite Ultraschallwandler im Brennpunkt dieses Ellipsoids angeordnet ist, kann man Objekte erfassen, die sich annähernd im zweiten Brennpunkt des Ellipsoids befinden und deren Reflexionsflächennormale außerhalb der Halbwertsbreite des ersten Ultraschallwandlers liegt. Dieser Objektlagewinkel ist abhängig vom Durchmesser des Reflektors und von der Arbeitsentfernung.This object is achieved with the characterizing features of claim 1. Because the surface facing the first ultrasound transducer forms a section of an ellipsoid and the second ultrasound transducer is arranged in the focal point of this ellipsoid, objects can be detected that are approximately in the second focal point of the Ellipsoids are located and their reflection surface normal lies outside the half-width of the first ultrasonic transducer. This object position angle depends on the diameter of the reflector and the working distance.

In einer weiteren Ausgestaltung des Ultraschall-Sensors bildet die dem Reflektor zugewandte Oberfläche des zweiten Ultraschallwandlers eine Kalotte. Diese Kalotte kann aus mehreren ebenen Einzelschwingern bestehen, die in einer Facettenkonstruktion angeordnet sind. Ferner kann der zweite Ultraschallwandler mehrere ringförmige Einzelschwinger und einen Kegel enthalten, deren Mantelflächen die Kalottenform ergeben. Durch diese Gestaltung kann man mit dem zweiten Ultraschallwandler Schallwellen aus dem durch den Reflektor gegebenen Raumwinkelbereich erfassen, die von einem Objekt annähernd im zweiten Brennpunkt abgestrahlt werden. Wegen der räumlichen Ausdehnung des zweiten Ultraschallwandlers und der Schallkeule des ersten Ultraschallwandlers ist man nicht nur auf die Arbeitsentfernung beschränkt, sondern man kann Objekte in einem gewissen Tiefenschärfenbereich um den zweiten Brennpunkt des Ellipsoids erfassen.In a further embodiment of the ultrasonic sensor, the surface of the second ultrasonic transducer facing the reflector forms a dome. This calotte can consist of several flat individual oscillators, which are arranged in a facet construction. Furthermore, the second ultrasonic transducer can contain a plurality of ring-shaped individual oscillators and a cone, the lateral surfaces of which result in the spherical shape. With this design, sound waves from the solid angle range given by the reflector can be detected with the second ultrasound transducer, which waves are emitted by an object approximately in the second focal point. Because of the spatial expansion of the second ultrasound transducer and the sound lobe of the first ultrasound transducer, one is not only limited to the working distance, but objects can be detected in a certain depth of field around the second focal point of the ellipsoid.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Ultraschall-Sensors enthält der zweite Ultraschallwandler einen Tragkörper, der als Abschnitt einer Kugel gestaltet ist, und eine piezoelektrische Kunststofffolie, die auf diesen Kugelabschnitt aufgebracht ist. Der Tragkörper ist als hartes Backing im Bezug auf die piezoelektrische Kunststoffolie vorgesehen. Diese piezoelektrische Kunststoffolie kann beispielsweise aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF bestehen. Durch diese Gestaltung erhält man einen einfachen Aufbau des zweiten Ultraschallwandlers.In an advantageous further embodiment of the ultrasound sensor, the second ultrasound transducer contains a support body, which is designed as a section of a sphere, and a piezoelectric plastic film, which is applied to this sphere section. The support body is provided as a hard backing with respect to the piezoelectric plastic film. This piezoelectric plastic film can consist, for example, of polyvinylidene fluoride PVDF. This design results in a simple construction of the second ultrasound transducer.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Sensors nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

  • Figur 1 zeigt einen Ultraschall-Sensor gemäß der Erfindung und in
  • Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des zweiten Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung dargestellt.
  • Figur 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des zweiten Ultraschallwandlers und
  • Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des zweiten Ultraschallwandlers.
For further explanation, reference is made to the drawing, in which an exemplary embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention is shown schematically is easy to see.
  • Figure 1 shows an ultrasonic sensor according to the invention and in
  • Figure 2 shows an embodiment of the second ultrasonic transducer according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates a further embodiment of the second ultrasonic transducer and
  • Figure 4 shows an advantageous embodiment of the second ultrasonic transducer.

In der dargestellten Ausführungsform nach Figur 1 ist ein Ultraschall-Sensor 2 zur Objekterfassung in Luft oder anderen Gasen veranschaulicht. Dieser Ultraschall-Sensor 2 enthält einen ersten Ultraschallwandler 4, einen Reflektor 6 und einen zweiten Ultraschallwandler 8. Der erste Ultraschallwandler 4 enthält einen scheibenförmigen Piezokörper 10, der auf einer seiner beiden Flachseiten mit einer 2/4-Anpassungsschicht 12 versehen ist, die beispielsweise wesentlich größere Abmessungen hat, als der Piezokörper 10. Der überstehende Bereich der 2/4-Anpassungsschicht 12 ist auf der Seite des Piezokörpers 10 mit einem Beschwerungsring 14 verbunden. Die2/4-Anpassungsschicht 12 besteht aus einem Material, dessen akustischer Schallwellenwiderstand ein Maß besitzt, das zwischen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers 10 und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums liegt, in dem sich der Schall ausbreiten soll.In the embodiment shown in FIG. 1, an ultrasound sensor 2 for object detection in air or other gases is illustrated. This ultrasound sensor 2 contains a first ultrasound transducer 4, a reflector 6 and a second ultrasound transducer 8. The first ultrasound transducer 4 contains a disk-shaped piezo body 10 which is provided on one of its two flat sides with a 2/4 adaptation layer 12, which is, for example, essential has larger dimensions than the piezo body 10. The protruding area of the 2/4 adaptation layer 12 is connected to a weighting ring 14 on the side of the piezo body 10. The 2/4 adaptation layer 12 consists of a material whose acoustic sound wave resistance has a dimension which lies between the size of the sound wave resistance of the piezo body 10 and the size of the sound wave resistance of the medium in which the sound is to propagate.

Die Oberfläche des Reflektors 6, die dem ersten Ultraschallwandler 4 zugewandt ist, bildet einen Abschnitt eines Ellipsoids. Im ersten Brennpunkt, d.h. im reflektornahen Brennpunkt ist der zweite Ultraschallwandler 8 angeordnet. Der Durchmesser D des Reflektors 6 ist abhängig vom Objektabstand a, der den Abstand der beiden Brennpunkte des Ellipsoids angibt, und vom möglichen Objektlagewinkel ϑ, der Winkel, der von der Schallkeulenachse 16 und der Reflexionsflächennormale des zu erfassenden Objektes 18 eingeschlossen wird. Der Zusammenhang von Durchmesser D, Objektabstand a und Objektlagewinkel ϑ läßt sich durch die folgende Gleichunq

Figure imgb0001
darstellen. Bei der Auslegung des Ultraschall-Sensors 2 für den Nahbereich, d.h. der Objektabstand a ist ungefähr etwa 20 cm und der Durchmesser D des Reflektors wird mit ungefähr etwa 10 cm vorbestimmt, so ergibt sich für den Objektlagewinkel einen Winkel von beispielsweise etwa ± 14°. Bei der Auslegung des Ultraschall-Sensors 2 für den Fernbereich ergibt sich für den Objektlagewinkel ϑ bei einem vorbestimmten Objektabstand a von ungefähr etwa 80 cm und einem vorbestimmten Durchmesser D von ungefähr etwa 20 cm einen Winkel von beispielsweise etwa ± 7°.The surface of the reflector 6, which faces the first ultrasonic transducer 4, forms a section of an ellipsoid. The second ultrasound is in the first focal point, ie in the focal point close to the reflector converter 8 arranged. The diameter D of the reflector 6 is dependent on the object distance a, which indicates the distance between the two focal points of the ellipsoid, and on the possible object position angle ϑ, the angle which is included by the sound beam axis 16 and the reflection surface normal of the object 18 to be detected. The relationship between diameter D, object distance a and object position angle ϑ can be determined by the following equation
Figure imgb0001
 represent. When designing the ultrasonic sensor 2 for the short range, ie the object distance a is approximately 20 cm and the diameter D of the reflector is predetermined with approximately 10 cm, the object position angle is approximately ± 14 °, for example. When designing the ultrasound sensor 2 for the long range, an angle of, for example, approximately ± 7 ° results for the object position angle ϑ at a predetermined object distance a of approximately 80 cm and a predetermined diameter D of approximately 20 cm.

Der zweite Ultraschallwandler 8 ist im ersten Brennpunkt des Reflektors 6 angeordnet. Die dem Reflektor 6 zugewandte Oberfläche 20 dieses zweiten Ultraschallwandlers 8 bildet eine Kalotte. Ferner ist die dem Reflektor 6 abgewandte Oberfläche 21 des zweiten Ultraschallwandlers 8 zu den Stirnflächen des ersten Ultraschallwandlers 4 parallel angeordnet.The second ultrasonic transducer 8 is arranged in the first focal point of the reflector 6. The surface 20 of the second ultrasonic transducer 8 facing the reflector 6 forms a dome. Furthermore, the surface 21 of the second ultrasonic transducer 8 facing away from the reflector 6 is arranged parallel to the end faces of the first ultrasonic transducer 4.

Durch diese Wölbung der Empfangsfläche des Ultraschall-Sensors 2 kann man in Luft oder anderen Gasen befindliche Objekte 18 erfassen, deren Reflexionsflächennormale um einen Objektlagewinkel ϑ zur Schallkeulenachse 16 geneigt ist und außerdem kann man auch Objekte mit einer gewölbten Reflexionsfläche eindeutig erfassen.Through this curvature of the receiving surface of the ultrasonic sensor 2, objects 18 located in air or other gases can be detected, the reflection surface normal of which is inclined by an object position angle ϑ to the sound beam axis 16, and moreover one can also Clearly detect objects with a curved reflection surface.

Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des zweiten Ultraschallwandlers 8, der im ersten Brennpunkt des Reflektors 6 angeordnet ist. Die dem Reflektor 6 zugewandte Oberfläche 20 dieses zweiten Ultraschallwandlers 8 bildet eine Kalotte. Diese Kalotte besteht aus mehreren Einzelschwingern 22, die in einer Facettenkonstruktion angeordnet sind.FIG. 2 shows an embodiment of the second ultrasonic transducer 8, which is arranged in the first focal point of the reflector 6. The surface 20 of the second ultrasonic transducer 8 facing the reflector 6 forms a dome. This calotte consists of several individual oscillators 22, which are arranged in a facet construction.

In einer weiteren Ausführungsform des zweiten Ultraschallwandlers 8 gemäß Figur 3 enthält dieser mehrere ringförmige Einzelschwinger 24 und einen Kegel 26. Die Mantelflächen 28 der ringförmigen Einzelschwinger 24 und des Kegels 26 ergeben die Kalottenform des zweiten Ultraschallwandlers 8.In a further embodiment of the second ultrasonic transducer 8 according to FIG. 3, it contains a plurality of annular individual oscillators 24 and a cone 26. The lateral surfaces 28 of the annular individual oscillators 24 and the cone 26 result in the spherical shape of the second ultrasonic transducer 8.

Mit Hilfe dieser Ausführungsformen kann man mit dem zweiten Ultraschallwandler 8 Schallwellen aus dem durch den Reflektor 6 gegebenen Raumwinkelbereich erfassen.With the aid of these embodiments, the second ultrasound transducer can be used to detect 8 sound waves from the solid angle range given by the reflector 6.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des zweiten Ultraschallwandlers 8 gemäß Figur 4 enthält dieser einen Tragkörper 30 und eine piezoelektrische Kunststoffolie 32. Der Tragkörper 30 ist als Abschnitt einer Kugel gestaltet und außerdem als hartes Backing im Bezug auf die piezoelektrische Kunststoffolie 32 vorgesehen. Auf der gewölbten Mantelfläche des Tragkörpers 30 ist die piezoelektrische Kunststoffolie 32 aufgebracht. Diese piezoelektrische Kunststoffolie 32 kann beispielsweise aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF sein. Durch diese Gestaltung erhält man einen einfachen Aufbau des zweiten Ultraschallwandlers 8.In an advantageous further embodiment of the second ultrasonic transducer 8 according to FIG. 4, it contains a support body 30 and a piezoelectric plastic film 32. The support body 30 is designed as a section of a ball and is also provided as a hard backing with respect to the piezoelectric plastic film 32. The piezoelectric plastic film 32 is applied to the curved outer surface of the support body 30. This piezoelectric plastic film 32 can be made of polyvinylidene fluoride PVDF, for example. This configuration results in a simple construction of the second ultrasound transducer 8.

Claims (7)

1. Ultraschall-Sensor (2) zur Objekterfassung in Luft oder anderen Gasen, der einen ersten Ultraschallwandler (4) mit einem Piezokörper (10) als Sender enthält, dadurch gekennzeichnet , daß ein Reflektor (6) vorgesehen ist, dessen dem ersten Ultraschallwandler (4) zugewandte Oberfläche einen Abschnitt eines Ellipsoids bildet, und daß zwischen dem ersten Ultraschallwandler (4) und dem Reflektor (6) ein zweiter Ultraschallwandler (8) vorgesehen ist, der im ersten Brennpunkt des Reflektors (6) angeordnet ist.1. Ultrasonic sensor (2) for object detection in air or other gases, which contains a first ultrasonic transducer (4) with a piezo body (10) as a transmitter, characterized in that a reflector (6) is provided, the first ultrasonic transducer ( 4) facing surface forms a section of an ellipsoid, and that between the first ultrasonic transducer (4) and the reflector (6) a second ultrasonic transducer (8) is provided, which is arranged in the first focal point of the reflector (6). 2. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dem Reflektor (6) zugewandte Oberfläche (20) des zweiten Ultraschallwandlers (8) eine Kalotte bildet.2. Ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the reflector (6) facing surface (20) of the second ultrasonic transducer (8) forms a dome. 3. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kalottenform des zweiten Ultraschallwandlers (8) aus mehreren ebenen Einzelschwingern (22) angenähert ist, die in einer Facettenkonstruktion angeordnet sind.3. Ultrasonic sensor according to claim 2, characterized in that the spherical shape of the second ultrasonic transducer (8) is approximated from a plurality of planar individual oscillators (22) which are arranged in a facet construction. 4. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Ultraschallwandler (8) mehrere ringförmige Einzelschwinger (24) und einen Kegel (26) enthält, deren Mantelflächen (28) die Kalottenform ergeben.4. Ultrasonic sensor according to claim 2, characterized in that the second ultrasonic transducer (8) contains a plurality of ring-shaped individual oscillators (24) and a cone (26), the lateral surfaces (28) of which form the spherical shape. 5. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Ultraschallwandler (8) einen Tragkörper (30), der als Abschnitt einer Kugel vorgesehen ist, und eine piezoelektrische Kunststoffolie (32) enthält.5. Ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the second ultrasonic transducer (8) contains a support body (30) which is provided as a section of a ball, and a piezoelectric plastic film (32). 6. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die piezoelektrische Kunststoffolie (32) auf der gewölbten Mantelfläche des Kugelabschnitts angeordnet ist.6. Ultrasonic sensor according to claim 5, characterized in that the piezoelectric plastic film (32) is arranged on the curved surface of the spherical section. 7. Ultraschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die dem Reflektor (6) abgewandte Oberfläche (21) des zweiten Ultraschallwandlers (8) zu den Flachseiten des Piezokörpers (10) parallel angeordnet ist.7. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface (21) facing away from the reflector (6) of the second ultrasonic transducer (8) is arranged parallel to the flat sides of the piezo body (10).
EP84106099A 1983-06-09 1984-05-29 Ultrasonic transducteur Withdrawn EP0128450A3 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3320935 1983-06-09
DE19833320935 DE3320935A1 (en) 1983-06-09 1983-06-09 ULTRASONIC SENSOR

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0128450A2 true EP0128450A2 (en) 1984-12-19
EP0128450A3 EP0128450A3 (en) 1985-03-13

Family

ID=6201108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP84106099A Withdrawn EP0128450A3 (en) 1983-06-09 1984-05-29 Ultrasonic transducteur

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4528853A (en)
EP (1) EP0128450A3 (en)
JP (1) JPS6024473A (en)
DE (1) DE3320935A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0155028A1 (en) * 1984-02-16 1985-09-18 Dornier Medizintechnik Gmbh An apparatus for the non-contact disintegration of concrements present in a body

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63275975A (en) * 1987-05-07 1988-11-14 Yokogawa Electric Corp Transceiver of ultrasonic wave range finder
US4859897A (en) * 1988-04-07 1989-08-22 Frank Massa Directional waterproof ultrasonic transducer for operating in air
DE3905099C1 (en) * 1989-02-20 1990-08-09 Schoeller Transportautomation Gmbh, 5120 Herzogenrath, De
JPH02223881A (en) * 1989-02-23 1990-09-06 Omron Tateisi Electron Co Ultrasonic sensor
DE3907605C2 (en) * 1989-03-09 1996-04-04 Dornier Medizintechnik Shock wave source
US5126616A (en) * 1989-09-05 1992-06-30 Pacesetter Infusion, Ltd. Ultrasonic transducer electrical interface assembly
US5053747A (en) * 1989-09-05 1991-10-01 Pacesetter Infusion, Inc. Ultrasonic air-in-line detector self-test technique
US5176631A (en) * 1989-09-05 1993-01-05 Pacesetter Infusion, Ltd. Ultrasonic air-in-line detector for detecting entrained air in a medication infusion system
US5000663A (en) * 1989-09-05 1991-03-19 Pacesetter Infusion, Ltd. Automatic tubing lock for ultrasonic sensor interface
US5064412A (en) * 1989-09-05 1991-11-12 Pacesetter Infusion, Ltd. Ultrasonic air-in-line detector for a medication infusion system
WO1992017795A1 (en) * 1991-03-28 1992-10-15 Kdg Mobrey Limited Acoustic system for use in pulse echo rangefinding
NZ243294A (en) * 1991-06-25 1995-04-27 Commw Scient Ind Res Org Time of flight of acoustic wave packets through fluid: reduction of higher order acoustic mode effects
DE4435156C2 (en) * 1994-09-30 2002-06-27 Microsonic Ges Fuer Mikroelekt ultrasonic sensor
US5736642A (en) * 1997-01-08 1998-04-07 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Nonlinear ultrasonic scanning to detect material defects
DE69736630D1 (en) 1997-06-19 2006-10-19 St Microelectronics Srl Hermetically sealed sensor with movable microstructure
CA2321745A1 (en) 1998-03-03 1999-09-10 Sensotech Ltd. Ultrasonic transducer
DE102005012193B3 (en) * 2005-03-15 2006-08-17 Landis+Gyr Gmbh Ultrasound head e.g. for testing materials for cracks, has sound signals summated as useful signal for coupling into or received from medium
WO2007024000A1 (en) * 2005-08-26 2007-03-01 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Ultrasonic probe, ultrasonic flaw detector, ultrasonic flaw detecting method and production method of seamless pipe
EP3117784B1 (en) 2009-07-08 2018-12-26 Sanuwave, Inc. Usage of intracorporeal pressure shock waves in medicine
ITMO20090219A1 (en) * 2009-09-01 2011-03-02 Imal Srl HIGH EFFICIENCY ULTRASOUND DEVICE.
RU2467500C2 (en) * 2009-12-31 2012-11-20 Зао "Сатурн Хай-Тек" Acoustic system with adjustable beam pattern
ITTO20120542A1 (en) 2012-06-20 2013-12-21 St Microelectronics Srl MICROELETTROMECHANICAL DEVICE WITH SIGNAL INSERTION THROUGH A PROTECTIVE HOOD AND METHOD FOR CHECKING A MICROELECTROMECHANICAL DEVICE

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2399820A (en) * 1942-09-02 1946-05-07 Rca Corp Piezoelectric apparatus
US3251219A (en) * 1961-07-05 1966-05-17 Siemens Reineger Werke Ag Transceiving ultrasonic impulses in medical diagnostics
US4203162A (en) * 1964-04-10 1980-05-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Electrically steerable spherical hydrophone array
JPS5593394A (en) * 1979-01-10 1980-07-15 Toshiba Corp Sound detector

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR70023E (en) * 1956-08-11 1959-02-02 Realisations Ultrasoniques Sa Method and device for the automatic control of sheet material, in particular sheet metal by means of ultrasound
US3106839A (en) * 1958-03-05 1963-10-15 Automation Ind Inc Ultrasonic transducer
US3912954A (en) * 1974-01-14 1975-10-14 Schaub Engineering Company Acoustic antenna
FR2473242A1 (en) * 1980-01-08 1981-07-10 Thomson Csf ACTIVE DOME ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2399820A (en) * 1942-09-02 1946-05-07 Rca Corp Piezoelectric apparatus
US3251219A (en) * 1961-07-05 1966-05-17 Siemens Reineger Werke Ag Transceiving ultrasonic impulses in medical diagnostics
US4203162A (en) * 1964-04-10 1980-05-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Electrically steerable spherical hydrophone array
JPS5593394A (en) * 1979-01-10 1980-07-15 Toshiba Corp Sound detector

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ETZ, Band 103, Heft 10, 1982, Seiten 518-519, Berlin, DE; H.-C. M]NZING: "Distanz-Sensor f}r grosse Schaltabst{nde" *
PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, Band 4, Nr. 141 (E-28)[623], 4. Oktober 1980, Seite 136 E 28; & JP-A-55 093 394 (TOKYO SHIBAURA DENKI K.K.) 15-07-1980 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0155028A1 (en) * 1984-02-16 1985-09-18 Dornier Medizintechnik Gmbh An apparatus for the non-contact disintegration of concrements present in a body

Also Published As

Publication number Publication date
JPS6024473A (en) 1985-02-07
US4528853A (en) 1985-07-16
DE3320935A1 (en) 1984-12-13
EP0128450A3 (en) 1985-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0128450A2 (en) Ultrasonic transducteur
US5410208A (en) Ultrasound transducers with reduced sidelobes and method for manufacture thereof
US5115810A (en) Ultrasonic transducer array
US10013969B2 (en) Acoustic lens for micromachined ultrasound transducers
EP0090567B1 (en) Ultrasonic sector-scan probe
EP0641606B1 (en) Broadband phased array transducer design with frequency controlled two dimension capability and methods for manufacture thereof
US5706820A (en) Ultrasonic transducer with reduced elevation sidelobes and method for the manufacture thereof
EP0045989B1 (en) Acoustic impedance matching device
DE3545381C2 (en) Ultrasonic transducer for measuring the sound power of a focused ultrasonic field
DE3732410A1 (en) ULTRASONIC TRANSFORMER WITH ASTIGMATIC TRANSMITTER / RECEIVING CHARACTERISTICS
EP0332916A1 (en) Ultrasonic sensor
EP0229981B1 (en) Method for controlling the focussing characteristics of an ultrasonic field and device for carrying out said method
WO2016188860A1 (en) Acoustic transducer device comprising a piezo sound transducer and a micromachined ultrasonic transducer (mut), method for operating same, acoustic system, acoustic coupling structure, and method for producing an acoustic coupling structure
DE2820120C2 (en)
DE19937479A1 (en) Ultrasonic sensor arrangement
EP0381796A1 (en) Ultrasonic sensor
Brown et al. Ultrasonic tomographic imaging of solid objects in air using an array of fan-shaped-beam electrostatic transducers
DE2744823A1 (en) Transceiver for echo sounding small distance measurement - has semi-parabolic reflectors with excited membranes for transducers
EP0033463B1 (en) Ultrasonic multi-probe
Brittain et al. Fabrication of non-uniformly excited wide-band ultrasonic transducers
DE3401979A1 (en) Ultrasonic transducer
DE3842759C2 (en) Straight sharp ultrasound transducer with curved radiation surface
DE3200762A1 (en) ULTRASONIC PROBE
JPS62261300A (en) Compound piezoelectric material for ultrasonic probe
DE102020114777A1 (en) Ultrasonic transducer and method for operating an ultrasonic transducer

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Designated state(s): DE FR GB IT SE

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Designated state(s): DE FR GB IT SE

17P Request for examination filed

Effective date: 19850827

17Q First examination report despatched

Effective date: 19861212

D17Q First examination report despatched (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19890627

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: LERCH, REINHARD, DR.

Inventor name: GRAEBNER, GUENTHER