EP0178346A1

EP0178346A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: EP0178346A1
Application number: EP84112594A
Authority: EP
Inventors: Toshiharu Ito; Eiji Ozeki; Kozo Okada
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1986-04-23
Anticipated expiration: 2004-10-18
Also published as: US4556814A; FR2559985B1; DK168317B1; DK76485A; DE3505872C2; EP0178346B1; DE3505872A1; DK76485D0; FR2559985A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, mit einem Schwinggehäuse 11 das aus einer zylindrischen Seitenplatte 11b und einer Wellen sendenden und empfangenden Oberplatte 11a zusammengesetzt ist, die am einen Ende der Seitenplatte 11b vorgesehen ist, einem piezoelektrischen Element (12) das zur Herstellung eines integrierten Bauteils mit der Innenseite der Oberplatte 11a zur gemeinsamen Schwingung hiermit verbunden ist, und Elektroden 12a,b die am piezoelektrischen Element 12 derart angeordnet sind, daß Schallwellen aus der Oberplatte 11a erzeugt werden können, wenn eine elektrisches Feld an die Elektroden 12ab angelegt wird, und/oder ein elektrischer Ausgang von den Elektroden geliefert wird, wenn die Oberplatte 11a Ultraschallwellen empfängt. Die Verbesserung umfaßt das Schwinggehäuse, welches mindestens in seiner Oberplatte 11a aus porösem Kunststoff geformt ist.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der imstande ist, Ultraschallwellen zu senden und/oder zu empfangen.
Es sind in der Technik vielfältige Arten von Ulcraschallwandlern bekannt. Ein solcher Wandler ist in Fig. 15 gezeigt, in welcher das Bezugszeichen 1 ein Schwinggehäuse bezeichnet, welches aus Metall, etwa rostfreiem Stahl, geformt ist und aus einer zylindrischen Seitenplatte 1b und einer Oberplatte 1a zusammengesetzt ist, welche am einen Ende der Seitenplatte 1b so vorgesehen ist, daß sie diese abschließt. Mit 2 ist eine piezoelektrische Keramikscheibe bezeichnet, die unter Herstellung einer integrierten Verbindung mit der Innenwand der Oberplatte 1a zur gemeinsamen Schwingung hiermit verbunden ist. Die keramische Scheibe 2 ist an ihren gegenüberliegenden Seiten mit einem Paar Elektroden 2a und 2b versehen. Der offene Endabschnitt des Schwinggehäuses 1 ist durch eine Abdeckplatte 3 verschlossen. In der Abdeckplatte 3 ist ein Paar Endanschlußstifte 4a und 4b vorgesehen, deren eine Enden durch Leitungsdrähte 5a und 5b mit den Elektroden 2a bzw. 2b verbunden sind. Mit 6 ist eine Isolierschicht bezeichnet, die beispielsweise aus einem Epoxidharz gebildet ist, um das Schwinggehäuse 1 abzudichten.
Wenn ein elektrisches Feld an die Anschlußstifte 4a und 4b angelegt wird, um eine Wechselspannung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 2a und 2b aufzubringen, dann wird die piezoelektrische Keramikscheibe 2 zu Längs-oder Biegeschwingungen angeregt, so daß eine Ultraschallwelle von der Oberplatte 1a erzeugt wird, in welche die angeklebte Keramikscheibe 2 integriert ist. Wenn andererseits die Oberplatte 1a eine Ultraschallwelle empfängt, dann verformt sich die piezoelektrische Keramikscheibe 2 derart, daß ein Ausgang mit einer Intensität, welche der einfallenden Ultraschallwelle entspricht, von den Elektroden 2a und 2b abgegeben wird.
Der Ultraschallwandler der oben erwähnten Art hat sich jedoch als schlecht geeignet zur Verwendung als Näherungsschalter oder Meßfühler für die Entfernung einer Substanz erwiesen. Da das Schwinggehäuse aus Metall geformt ist, hat der Wellen sendende und empfangende Abschnitt, der aus der Oberplatte 1a und der piezoelektrischen Keramikscheibe 2 gebildet ist, einen so hohen mechanischen Gütefaktor Q , daß, wie in Fig. 16a gezeigt, der Wandler Impulscharakteristiken zeigt, die eine lange Impuls-Abfallzeit aufweisen. Es ist deshalb möglich, daß dann, wenn der Wandler eine Ultraschallwelle empfängt, die von der nächstgelegenen Substanz reflektiert wurde, und zwar während des Sendevorgangs der Ultraschallwelle,er nicht fähig ist, als Meßfühler bzw. Spürgerät zu arbeiten.
Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn das Schwinggehäuse aus einem Kunststoff gebildet ist, etwa aus Epoxidharz, das Q _m des Wellen sendenden und empfangenden Abschnitts niedrig wird, und sowohl die Impulsanstiegzeit als auch die Impulsabfallzeit kurz werden, wie in Fig. 16b gezeigt. Außerdem ergibt sich auch eine Verbesserung in der Intensität der Ausgangsspannung, die in Abhängigkeit vom Empfang einer Ultraschallwelle abgegeben wird.
Infolge weiterer Untersuchungen hat sich herausgestellt daß dann, wenn die Oberplatte des Schwinggehäuses aus einem porösen Kunststoff, etwa aufgeschäumtem Epoxidharz, gebildet ist, der resultierende Wandler überlegene Wellen-Sende- und -E.mpfangs-Eigenschaften aufweist, und zwar besonders ein verbessertes Ansprechverhalten, verglichen mit jenem Wandler, dessen Schwinggehäuse aus einem nicht porösen Kunststoff gebildet ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallwandler vorgesehen, der ein Schwinggehäuseteil mit einer zylindrischen Seitenplatte und einer Wellen sendenden und empfangenden Oberplatte aufweist, die am einen Ende der Seitenplatte vorgesehen ist, einem piezoelektrischen Element, das unter Bildung eines einheitlichen Teiles mit der Innenwand der Oberplatte verbunden ist, sowie Elektroden, die am piezoelektrischen Element angeordnet sind, so daß Ultraschallwellen von der Oberplatte dann erzeugt werden können, wenn ein elektrisches Feld an die Elektroden angelegt wird, und/ oder ein elektrischer Ausgang von den Elktroden abgegeben wird, wenn die Oberplatte Ultraschallwellen empfängt, wobei die Oberplatte aus einem porösen Kunststoff gebildet ist.
Die bevorzugten Ausfuhrunsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht welche schematisch ein Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 die Ansicht eines Aufrisses, der längs der Linie II-II in Fig. 1 vorgenommen wurde,
Fig. 3 die Ansicht eines Aufrisses ähnlich Fig. 2, welche schematisch jedoch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4 die Ansicht eines Teilaufrisses ähnlich Fig. 3, der ein anderes Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt,
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich jener der Fig. 4, wobei eine noch weitere Alternativausführung der Fig. 3 gezeigt ist,
Fig. 6 ein Diagramm, welches die Impulscharakteristiken zeigt,
Fig. 7 ein Aufriß ähnlich Fig. 2, der schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 7, wobei ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist,
Fig. 9 eine Perspektivansicht, die schematisch ein elastisches Metallrohr zeigt, welches in das Schwinggehäuse zum Verringern der Reflexions- bzw. Nachhallzeit eingeführt werden soll,
Fig. 10 ein Aufriß ähnlich Fig. 2, der schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 11 bis 13 jeweils ein Teilaufriß, die schematisch Alternativausführungen der Fig. 10 zeigen,
Fig. 14 ein Richtwirkungsdiagramm des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
Fig. 15 ein Aufriß, der einen herkömmlichen Ultraschallwandler zeigt, und
Fig. 16a und 16b jeweils ein Diagramm, welches die Impulscharakteristiken des herkömmlichen Wandlers bzw. der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Fig. 1 und 2 bilden ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers . In den Fig. 1 und 2 sowie auch in den nachfolgenden Figuren werden jene Bestandteile, die denen der Fig. 15 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, zu welchen jedoch noch 10 hinzugezählt wurde. Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 15 gezeigten herkömmlichen Wandler dahingehend, daß das Schwinggehäuse 11 der Fig. 1 und 2 aus einem porösen Kunststoff gebildet ist.
Ein piezoelektrisches Element 12 mit Elektroden 12a und 12b ist zur Bildung eines integrierten Bauteils an die Innenfläche einer Oberplatte 11a des Gehäuseteils 11 geklebt. Das Gehäuseteil 11 weist eine zylindrische Seitenplatte 11b auf, welche einstückig mit der Oberplatte 11a verbunden ist. Der offene Endabschnitt des Gehäuseteils 11 ist mit einer Abdeckplatte 13 versehen, an welcher ein Paar Anschlußstifte 14a und 14b angebracht sind. Leitungsdrähte 15a und 15b erstrecken sich zwischen der Elektrode 12a und dem Anschlußstift 14a bzw. zwischen der Elektrode 12b und dem Anschlußstift 14b. Die Abdeckplatte 13 ist mit einer Isolierschicht 16 überdeckt. Mit 17 ist ein Isolator bezeichnet, der dann vorgesehen ist, wenn die Abdeckplatte aus einem elektrischen Leiter gebildet ist, um für die Isolierung zwischen den beiden Anschlußstiften 14a und 14b zu sorgen.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Oberplatte 11a als auch die Seitenplatte 11b aus porösem Kunststoff gebildet. Der Begriff "poröser Kunststoff", der hier verwendet wird,-soll ein synthetisches Polymermaterial umfassen, das eine große Anzahl geschlossener Zellen aufweist, die innerhalb des Polymermaterials verteilt sind. Beispielhaft für geeignete poröse Kunststoffe sind synthetische Polymermaterialien, in welchen eine große Anzahl von Glas-Mikroballons verteilt ist, sowie aufgeschäumte, synthetische Polymermaterialien, die unter Verwendung von Aufschäummitteln in herkömmlicher Weise hergestellt sind. Bevorzugt hat der poröse Kunststoff einen mittleren Porendurchmesser, der zwischen 50 und 100 µ liegt. Beispielhaft für geeignete Polymermaterialien sind Epoxidharze, Polyolefinharze, Styrolharze, Acrylharze und Vinylchloridharze.
Weil das Schwinggehäuseteil 11 der vorliegenden Erfindung aus porösem Kunststoff geformt ist, ist das Q_m des eine Welle sendenden und empfangenden Abschnitts des Ultraschallwandlers dieser Erfindung niedrig, so daß die Impuls-Anstiegs-und -Abfallzeit verkürzt werden kann, wie in Fig. 16b dargestellt ist. Die Verringerung der ImpulsAbfallzeit führt vorteilhafterweise zur Verringerung der Nachhallzeit. Da außerdem die Oberplatte 11a eine verhältnismäßig große Luftmenge enthält, nähert sich die akkustische Impedanz der Oberplatte 11a jener von Luft. Deshalb sind die Anpaßbedingungen zwischen der Oberplatte 11a und der Umgebungsluft verbessert, was zu einer Verbesserung beim Ansprechverhalten führt,das heißt, es ist ein intensiverer Ausgang nach dem Empfang einer Ultraschallwelle gleichbleibender Intensität erzielbar.
Es liefert beispielsweise der herkömmliche Ultraschallwandler, dessen Gehäuse aus rostfreiem Stahl gebildet ist, eine Impulsanstiegszeit von 0,5 ms, eine Impulsabfallzeit von 2,0 ms und eine Ausgangsspannung von 0,4 V. Ein Ultraschallwandler, dessen Schwinggehäuse aus nicht porösem Epoxidharz gebildet ist, liefert eine Impulsanstiegszeit von 0,2 ma, eine Impulsabfallzeit von 1,2 ms und eine Ausgangsspannung von 2,6 V. Im Fall eines er- findungsgemä_ßen Ultraschallwandlers, bei welchem das Schwinggehäuse aus einem Epoxidharz gebildet ist, in welchem eine große Anzahl von Glas-Mikroballons verteilt ist, die einen Durchmesser von 50 bis 100 µ aufweisen, ergibt sich eine Impulsanstiega- und -abfallzeit von 0,2 bzw. 1,2 ms, und die Ausgangsspannung beträgt 6,4 V.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Oberplatte 11 a des Schwinggehäuses 11 etwa 1/4 der Wellenlänge der Schallgeschwindigkeit der Oberplatte 11a, und zwar aus dem Grunde, ein bestes Ansprechverhalten zu erreichen.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel sind sowohl die Oberplatte 11a als auch die zylindrische Seitenplatte 11b aus pörosem Kunststoff geformt. Eine ähnliche Verbesserung kann selbst dann erhalten werden, wenn die Oberplatte alleine aus einem porösen Kunststoff geformt ist. Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen; eine zylindrische Seitenplatte 11b ist an ihrem einen Ende einstückig mit einer Oberplatte 11a versehen, die aus porösem Kunststoff der gerade voranstehend erwähnten Art geformt ist., Die anderen Bauweisen des Wandlers sind im wesentlichen dieselben wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2, und deren detaillierte Erläuterung wird hier weggelassen. Die Fig. 4 und 5 bilden Ausführungsbeispiele ähnlich jenem der Fig. 3 ab. In Fig. 4 steht der Außenumfang der Oberplatte 11a in Berührung mit der Innenfläche der zylindrischen Seitenplatte 11b. In Fig. 5 sind der Endabschnitt der Oberplatte 11a und die Seitenplatte 11b diagonal zum Anschlageingriff miteinander geschnitten. Die Befestigung der Oberplatte 11a an der Seitenplatte 11b kann durch irgendwelche bekannten Mittel vorgenommen werden, etwa durch Kleber.
Bei den in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen ist vorzugsweise die zylindrische Seitenplatte 11b aus einem Material geformt, dessen akkustische Impedanz größer ist.als jene der Oberplatte 11a, und zwar aus dem Grunde, eine Verringerung der Nachhallzeit zu erreichen. Beispielhaft für ein geeignetes Material für die Seitenplatte 11b sind Kunststoffe, Metalle und keramische Stoffe. Wenn sowohl die Oberplatte als auch die Seitenplatte des Schwinggehäuses aus einem porösen Kunststoff geformt sind, dann ist die Schwingung an der Seite des Schwinggehäuses 11 nicht vollständig gedämpft, und die Nachhallzeit kann nicht unter eine bestimmte Grenze abgesenkt werden. Wenn im Gegensatz hierzu die Seitenplatte 11b aus einem Material geformt ist, dessen akkustische Impedanz größer ist als jene der Oberplatte 11a, welche aus einem porösen Kunststoff gebildet ist, dann wird die Schwingung der Oberplatte 11a an der Trennfläche zwischen der Oberplatte 11a und der Seitenplatte 11b reflektiert und verteilt und ist daran gehindert, zur Seitenplatte 11b fortzuschreiten. Demzufolge wird die Nachhallzeit kürzer,verglichen mit dem Wandler, bei welchem das Schwinggehäuse vollständig aus porösem Kunststoff geformt ist.
Es zeigt beispielsweise der Ultraschallwandler, dessen Schwinggehäuse aus porösem Kunststoff mit einer akkustischen Impedanz von 1 x 3000 g/cm^zs geformt ist, eine Wellen sendende Impulscharakteristik, wie sie durch die Linie 20 in Fig. 6 gezeigt ist. Wenn andererseits das Schwinggehäuse aus einer zylindrischen Seitenplatte gebildet ist, welche aus rostfreiem Stahl mit einer akkustischen Impedanz von 7,8 x 5000 g/cm²s geformt ist, sowie einer Oberplatte, die aus einem porösen Kunststoff mit 1 x 3000 g/cm^zs an akustischer Impedanz geformt ist, dann liefert der Wandler die Impulscharakteristik, wie sie durch die gestrichelte Linie 21 in Fig. 6 gezeigt ist. Das heißt, die Nachhallzeit kann bis auf unter 1,0 ms abgesenkt werden.
Eine'solche Verringerung der Nachhallzeit (oder ImpulsAbfallzeit) kann auch dadurch bewirkt werden, daß man ein integriertes rohrförmiges Teil oder Teile an dem Außen-und/oder Innenumfang der zylindrischen Seitenplatte des Wandlers vorsieht, der in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wobei das rohrförmige Teil eine höhere akkustische Impedanz aufweist als die zylindrische Seitenplatte. Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen: ein rohrförmiges Teil 18 ist innerhalb eines Schwinggehäuses vorgesehen und mit dem Innenumfang seiner zylindrischen Seitenplatte 11b verklebt. In einer Alternativausführung, die in Fig. 8 gezeigt ist, ist das rohrförmige Teil 18 am Außenumfang der Seitenplatte 11b angeklebt. Durch die Anordnung des rohrför- _mig_en Teils 18 wire eieschwingungsdämpfende Wirkung an der Seite des Schwinggehäuses verbessert, um die Nachhallzeit zu verringern. Die Befestigung des rohrförmigen Teils 18 an der Seitenplatte 11b kann durch irgendwelche bekannten Mittel, etwa durch Kleber, bewirkt werden. Wenn das rohrförmige Teil 1 innerhalb des Gehäuses 11 vorgesehen ist, dann ist es zweckmäßig, das rohrförmige Teil als elastisches Rohr auszubilden, und zwar allgemein ein Metallrohr, welches einen Schlitz 18a aufweist, der sich parallel zur Achse des Rohres erstreckt. Das Rohr 18 weist einen größeren Außendurchmesser als den Innendurchmesser der Seitenplatte 11b in freiem Zustand auf. Durch Einsetzen des Rohrs 18 in das Innere des Gehäuses steht das Rohr 18 in Druckberührung mit der Innenfläche der zylindrischen Seitenplatte 11b. Wenn in ähnlicher Weise das rohrförmige Teil 18 außerhalb des Gehäuses 11 vorgesehen ist, ist es möglich, ein elastisches Rohr, wie etwa ein Gummirohr, zu benutzen, das einen kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der zylindrischen Seitenplatte 11b aufweist. Durch passendes Aufsetzen des Gummirohrs 18 rund um den Umfang der Seitenplatte 11b wird das Rohr in Druckberührung mit der Seitenplatte 11b gehalten. Wenn das elastische rohrförmige Teil verwendet wird, ist es für das rohrförmige Teil nicht erforderlich, aus einem Material mit einer größeren akkustischen Impedanz als der Seitenplatte 11b gebildet zu werden, und zwar wegen des Umstandes, daß die Seitenplatte 11b stets den. Kräften in der Richtung senkrecht zur Achse der zylindri-. schen Seitenplatte 11b ausgesetzt ist und an der Schwingung gehindert ist.
Die Fig. 10 bis 13 bilden Verbesserungen der Ultraschallwandler der vorangehenden Ausführungsbeispiele ab, wobei die Dicke der Oberplatte 11a plötzlich an einem Ringabschnitt nahe dem Außenumfang der piezoelektrischen Scheibe 12 geändert ist, um die Querschwingung, die vom Umfang keilförmig) ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Höhe des erhabenen Abschnitts 11c und die Tiefe der Ringnut 11d nicht größer als 1/3 der Dicke D der Oberplatte 11a, um eine Verringerung im Ansprechverhalten zu verhindern.

Claims

1. Ultraschallwandler mit den folgenden Merkmalen:

- ein Schwinggehäuseteil (11) mit einer zylindrischen Seitenplatte (11b) und einer Wellen sendenden und empfangenden Oberplatte (11a), welche am einen Ende der Seitenplatte vorgesehen ist,

- ein piezoelektrisches Element (12), welches einstückig mit der Innenwand der Oberplatte (11a) verbunden ist, und

- Elektroden (12a, 12b), die am piezoelektrischen Element (12) derart angeordnet sind, daß Ultraschallwellen von der Oberplatte (11a) erzeugt werden können, wenn ein elektrisches Feld an die Elektroden angelegt wird und/oder ein elektrischer Ausgang von den Elektroden abgegeben wird, wenn die Oberplatte Ultraschallwellen empfängt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberplatte (11a) aus porösem Kunststoff geformt ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Seitenplatte (11b) aus einem Material geformt ist, dessen akkustische Impedanz größer ist als jene der Oberplatte (11a).

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Seitenplatte (11b) ebenfalls aus einem porösen Kunststoff geformt ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Teil (18), das aus einem Material geformt ist, dessen akkustische Inpedanz größer ist als jene der zylindrischen Seitenplatte (11b), und an mindestens einer von Innen- und Außenumfangsfläche der zylindrischen Seitenwand zum Verringern der Nachhallzeit vorgesehen ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (18) ein elastisches Rohr ist, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der zylindrischen Seitenplatte (11b) und welches außerhalb der zylindrischen Seitenplatte zur Druckberührung hiermit vorgesehen ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (18) ein Metallrohr ist, welches mit einem Schlitz (18a) in einer Richtung parallel zur Achse hiervon versehen ist, welches einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als ein Innendurchmesser der zylindrischen Seitenplatte (11b) und welches innerhalb der Seitenplatte zur Druckberührung hiermit vorgesehen ist.

7. Ultraschallwandler nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element die Form einer scheibenförmigen Platte (12) und konzentrisch an der Oberplatte (11a) angeordnet ist, und daß die Oberplatte (11a) einen ringförmigen Abschnitt aufweist, der neben und längs dem Außenumfang des piezoelektrischen Elements angeordnet ist und an welchem die Dicke der Oberplatte plötzlich derart geändert ist , daß die Querschwingung, die vom Umfang des piezoelektrischen Elements ausgeht, am ringförmigen Abschnitt absorbiert oder abgemildert werden kann.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Abschnitt ein Grenzbereich eines erhabenen Abschnitts (11c) ist, der von Außen-und Innenfläche der Oberplatte (11a) an mindestens einer vorgesehen ist.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Abschnitt eine Ringnut ist, die von Außen- und Innenoberfläche der Oberplatte (11a) an mindestens einer vorgesehen ist.