EP0425716A1 - Ultraschall-Schichtwandler mit astigmatischer Schallkeule - Google Patents

Ultraschall-Schichtwandler mit astigmatischer Schallkeule Download PDF

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EP0425716A1 EP89120138A EP89120138A EP0425716A1 EP 0425716 A1 EP0425716 A1 EP 0425716A1 EP 89120138 A EP89120138 A EP 89120138A EP 89120138 A EP89120138 A EP 89120138A EP 0425716 A1 EP0425716 A1 EP 0425716A1
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ultrasound
layer transducer
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    • 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
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound layer transducer with an astigmatic sound lobe, which has at least one rectangular piezoceramic plate, the two sides of which are coated with a layer, the long side of the ultrasound layer transducer serving as a sound radiation surface and the ultrasound layer transducer being operated in the fourth planar vibration mode of the piezoceramic plates .
  • Ultrasonic layer transducers of the type mentioned above are known for use in wide-beam proximity sensors.
  • this mode has the disadvantage that oscillation components in opposite phases occur at the longitudinal ends of the sound radiation surface. This produces strong side lobes to the desired narrow sound lobe in the plane parallel to the orientation of the piezoceramic plates. This can lead to false signals due to interference reflectors located outside the main detection area.
  • damping parts are attached to the longitudinal ends of the ultrasound film converter. It proves to be advantageous if the damping parts are designed as U-shaped damping blocks that enclose the ends of the ultrasound layer transducer. If the damping blocks have at least one groove for receiving the piezoceramic plate, this simplifies the manufacturing process.
  • An elasticized polymer with fillers is provided as the material for the damping parts (this ensures good mechanical damping). If the polymer with fillers has a density of 1.5 to 4.5 g / cm3, this represents a favorable composition for the vibration behavior.
  • the layers on both sides of the piezoceramic plate consist of the plastic polyethylene, which is due to the strong temperature response its mechanical material parameters result in a strong frequency drift with temperature changes.
  • an epoxy resin filled with hollow glass balls is provided as the material for the layer. A favorable influence on the directional characteristic and / or the efficiency of the sound radiation can be achieved if an adaptation layer is provided on the sound-radiating transducer front. If an epoxy resin filled with hollow glass spheres is used as the material of the matching layer, the matching layer can be produced in a simple manner.
  • the desired sound lobe shape depends on the geometry of the matching layer, it is advantageous if different geometries of the matching layer are provided.
  • the converter efficiency can be improved if different thicknesses of the matching layer are provided, because this enables optimization with regard to the converter efficiency.
  • FIG. 1 shows an ultrasound layer transducer 1 of a known type, which here has two piezoceramic plates 2, on the two sides of which layers 3 made of the plastic polyethylene are attached.
  • the astigmatic directional characteristic of the sound lobe is achieved by using the long side 4 of the ultrasound layer transducer 1 as the sound radiation surface.
  • the ratio of length to width of this rectangular area is proportional to the ratio of the opening angles from narrow to wide sound beam.
  • the ultrasound layer transducer 1 is operated in a resonant manner on the fourth planar vibration mode of the piezoceramic platelets 2, as a result of which a high efficiency of sound radiation and reception is achieved. In this mode, however, antiphase oscillation components which prove to be disadvantageous occur at the longitudinal ends of the sound radiation surface.
  • FIG. 2 shows an ultrasound layer transducer which, starting from the structure shown in FIG. 1, has damping blocks 5 at the longitudinal ends. These are U-shaped and each have a groove 9 for receiving the piezoceramic plate 2 protruding over the ends.
  • a strongly damping, elasticized polymer is used for the damping blocks 5, which, by means of suitable fillers, has a density of 1.5 to 4.5 g / cm3 is brought.
  • the damping blocks 5 are brought into the appropriate shape by casting or injection molding or are produced from strips by cutting and grinding.
  • the damping blocks 5 enclosing the transducer ends in a U-shape provide good side lobe damping in the narrow sound lobe of the ultrasound layer transducer.
  • the layers 3 serving as composite material are produced in this embodiment from an epoxy resin filled with hollow glass spheres, whereby the temperature response of the frequency is improved while the acoustic properties are otherwise good (from ⁇ 10 kHz to ⁇ 2 kHz in the interval from -25 ° C. to 70 ° C).
  • an epoxy resin with hollow glass spheres is also known under the name "syntactic foam”.
  • the ultrasound layer transducer according to FIG. 2 has an adaptation layer 8 on the sound-radiating transducer front. It is advantageously also produced from a syntactic foam which can be processed well and can thus easily be shaped into a geometry adapted to the desired shape of the sound lobe.
  • the geometry can be smooth, rounded or beveled or roof-shaped.
  • the converter efficiency can be improved by optimizing the thickness of the matching layer 8.
  • the described ultrasound layer transducer 1 according to FIG. 2 can, preferably by gluing, from the individual parts mentioned using reactive glue.
  • this manufacturing method requires complex and precise manual work and is therefore quite expensive.
  • the manufacturing process can be significantly facilitated in that the arrangement described is produced by casting.
  • the damping blocks 5 are introduced into a casting mold which corresponds in its free space to the external geometry of the later converter.
  • the weighting blocks have grooves 9 for receiving and guiding the piezoceramic plate 2, which is inserted after the mold cavity has been filled with still liquid syntactic foam. With hardening, the manufacturing process is essentially completed and the ultrasonic layer transducer 1 can be removed from the casting mold.
  • ultrasound layer transducers 1 with several piezoceramic plates 2 are required. These are lined up side by side in such a way that a layer 3 of syntactic foam lies between them.
  • the number of piezoceramic plates 2 is to be provided in accordance with a plurality of grooves 9 for receiving the same.

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Abstract

Bei bisherigen Ultraschall-Schichtwandlern mit astigmatischer Schallkeule, wird ein rechteckiges Piezokeramikplättchen auf der vierten Planarschwingungsmode betrieben. Dabei auftretende Nebenkeulen können zu Fehlsignalen führen. Daher besteht die Aufgabe, Ultraschall-Schichtwandler für breitstrahlende Näherungssensoren ohne den genannten Störeinfluß zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, daß Dämpfungsteile (5) an den längsseitigen Enden der Ultraschall-Schichtwandler (1) angebracht werden. Derartige Ultraschall-Schichtwandler (1) finden z.B. bei Ultraschall-Näherungsschaltern Anwendung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Schichtwandler mit astigmatischer Schallkeule, der mindestens ein rechteckiges Piezokeramikplättchen aufweist, dessen beide Seiten mit einer Schicht belegt sind, wobei die Längsseite des Ultraschall-­Schichtwandlers als Schallabstrahlfläche dient und der Ultra­schall-Schichtwandler auf der vierten Planarschwingungsmode der Piezokeramikplättchen betrieben wird.
  • Ultraschall-Schichtwandler der obengenannten Art sind für den Einsatz in breitstrahlenden Näherungssensoren bekannt. Durch den Betrieb auf der vierten Planarschwingungsmode der Piezo­keramikplättchen wird zwar ein hoher Wirkungsgrad von Schall­abstrahlung und -empfang erreicht, aber dieser Mode bringt den Nachteil mit sich, daß an den längsseitigen Enden der Schall­abstrahlfläche gegenphasige Schwingungsanteile auftreten. Hier­durch werden starke Nebenkeulen zu der gewünschten schmalen Schallkeule in der Ebene parallel zur Orientierung der Piezo­keramikplättchen erzeugt. Dies kann zu Fehlsignalen durch außerhalb des Haupterfassungsbereichs liegende Störreflektoren führen.
  • Daher besteht die Aufgabe, einen für den industriellen Einsatz tauglichen Ultraschall-Schichtwandler für breitstrahlende Nä­herungssensoren unter Vermeidung der genannten Nachteile zu schaffen. Dies wird bei einem Ultraschall-Schichtwandler der obengenannten Art dadurch gelöst, daß Dämpfungsteile an den längsseitigen Enden des Ultraschall-Schichtwandlers angebracht sind. Als vorteilhaft erweist sich, wenn die Dämpfungsteile als U-förmige, die Enden des Ultraschall-Schichtwandlers umschließen­de Dämpfungsklötze ausgebildet sind. Weisen die Dämpfungsklötze mindestens eine Nut zur Aufnahme des Piezokeramikplättchens auf, so wird das Herstellungsverfahren vereinfacht. Als Material für die Dämpfungsteile ist ein mit Füllstoffen versehenes elastifi­ziertes Polymer vorgesehen (dies gewährleistet gute mechanische Dämpfung). Weist das Polymer mit Füllstoffen eine Dichte von 1,5 bis 4,5 g/cm³ auf, so stellt dies für das Schwingverhalten eine günstige Zusammensetzung dar. Üblicherweise bestehen die Schich­ten zu beiden Seiten des Piezokeramikplättchens aus dem Kunst­stoff Polyethylen, der wegen des starken Temperaturgangs seiner mechanischen Materialparameter eine starke Frequenzdrift bei Temperaturänderungen zur Folge hat. Um den Temperaturgang der Frequenz bei sonst gleichbleibend guten akustischen Eigenschaf­ten zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn als Material für die Schicht ein mit Hohlglaskugeln gefülltes Epoxidharz vorge­sehen ist. Eine günstige Beeinflussung der Richtcharakteristik und/oder des Wirkungsgrades der Schallabstrahlung läßt sich er­reichen, wenn an der schallabstrahlenden Wandlervorderseite ei­ne Anpaßschicht vorgesehen ist. Wird als Material der Anpaß­schicht ein mit Hohlglaskugeln gefülltes Epoxidharz verwendet, so läßt sich die Anpaßschicht auf einfache Weise herstellen. Da die gewünschte Schallkeulenform von der Geometrie der Anpaß­schicht abhängt, ist es von Vorteil, wenn unterschiedliche Geo­metrien der Anpaßschicht vorgesehen sind. Der Wandlerwirkungs­grad läßt sich verbessern, wenn unterschiedliche Dicken der An­paßschicht vorgesehen sind, weil hierüber eine Optimierung hin­sichtlich des Wandlerwirkungsgrades möglich ist.
  • Bei einer Fertigung der Wandler durch Verklebung der Einzeltei­le sind vorzugsweise reaktive Kleber zu verwenden. Diese Ferti­gungsmethode erfordert jedoch umfangreiche und genaue Handarbeit, was den Fertigungsprozeß erschwert und verteuert. Um dies zu ver­meiden, wird vorteilhafterweise ein Verfahren zur Fertigung des Ultraschall-Schichtwandlers in vorgenannter Ausführung verwen­det, bei dem die Dämpfungsteile mittels einer Gießform gegossen werden. Weiterhin erweist es sich als zweckmäßig, wenn das Pie­zokeramikplättchen nach Füllung des Gießform-Hohlraums in die Nuten der als Dämpfungsteile ausgeführten Beschwerungsklötze mit flüssigem, mit Hohlglaskugeln gefülltem Epoxidharz einge­schoben und anschließend der Ultraschall-Schichtwandler ausge­härtet wird.
  • Die erfindungsgemäße Verbesserung wird im folgenden durch Ge­genüberstellung einer bisherigen und der neuen Ausführungsform anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 eine Ausführungsform eines bekannten Ultraschall-Schicht­wandlers,
    • FIG 2 einen erfindungsgemäß verbesserten Ultraschall-Schicht­wandler.
  • Figur 1 zeigt einen Ultraschall-Schichtwandler 1 bekannter Bau­art, der hier zwei Piezokeramikplättchen 2 aufweist, zu deren beiden Seiten Schichten 3 aus dem Kunststoff Polyethylen ange­bracht sind. Die astigmatische Richtcharakteristik der Schall­keule wird durch die Verwendung der Längsseite 4 des Ultra­schall-Schichtwandlers 1 als Schallabstrahlfläche erzielt. Hier­bei ist das Verhältnis von Länge zu Breite dieser rechteckigen Fläche dem Verhältnis der Öffnungswinkel von schmaler zu breiter Schallkeule proportional. Der Ultraschall-Schichtwandler 1 wird resonant auf der vierten Planarschwingungsmode der Piezokeramik­plättchen 2 betrieben, wodurch ein hoher Wirkungsgrad von Schall­abstrahlung und -empfang erreicht wird. Bei diesem Mode treten jedoch an den längsseitigen Enden der Schallabstrahlfläche sich als nachteilig erweisende gegenphasige Schwingungsanteile auf. Diese führen zu starken Nebenkeulen in der schmalen Schallkeule in der Ebene parallel zur Orientierung der Piezokeramikplättchen 2, wodurch außerhalb des Haupterfassungsbereichs liegende uner­wünschte Störreflektoren Fehlsignale zur Folge haben können. Die Verwendung von Polyethylen als Material für die Schichten bringt eine starke Frequenzdrift bei Temperaturänderungen mit sich, da die mechanischen Materialparameter von Polyethylen einen starken Temperaturgang aufweisen. Um dies zu korrigieren, ist bei einem Einsatz in einem Näherungssensor eine aufwendige elektronische Frequenznachführung erforderlich.
  • Figur 2 zeigt einen Ultraschall-Schichtwandler, der, ausgehend von dem in Figur 1 dargestellten Aufbau, an den längsseitigen Enden Dämpfungsklötze 5 aufweist. Diese sind U-förmig gestaltet und haben jeweils eine Nut 9 zur Aufnahme des über die Enden vorstehenden Piezokeramikplättchens 2. Vorzugsweise wird für die Dämpfungsklötze 5 ein stark dämpfendes elastifiziertes Po­lymer verwendet, welches durch geeignete Füllstoffe auf eine Dichte von 1,5 bis 4,5 g/cm³ gebracht wird. Die Dämpfungsklötze 5 werden durch Gießen oder Spritzgießen in die entsprechende Form gebracht oder durch Schneiden und Schleifen aus Bändern herge­stellt. Durch die die Wandlerenden U-förmig umschließenden Dämpfungsklötze 5 wird eine gute Nebenkeulendämpfung in der schmalen Schallkeule des Ultraschall-Schichtwandlers bewirkt.
  • Die als Verbundmaterial dienenden Schichten 3 werden bei dieser Ausführungsform aus einem mit Hohlglaskugeln gefüllten Epoxid­harz hergestellt, wodurch der Temperaturgang der Frequenz bei sonst gleichbleibend guten akustischen Eigenschaften verbessert wird (von ± 10 kHz auf ± 2 kHz im Intervall von - 25 °C bis 70 °C). Ein solches Epoxidharz mit Hohlglaskugeln ist auch unter der Bezeichnung "syntaktischer Schaum" bekannt. Der Ultraschall-­Schichtwandler nach Figur 2 weist auf der schallabstrahlenden Wandlervorderseite, wie angedeutet, eine Anpaßschicht 8 auf. Sie wird vorteilhafterweise auch aus einem syntaktischen Schaum hergestellt, der sich gut bearbeiten und damit auf einfache Weise eine der gewünschten Schallkeulenform angepaßte Geometrie formen läßt. Die Geometrie kann zum Beispiel glatt, abgerundet oder abgeschrägt bzw. dachförmig sein. Außerdem läßt sich der Wandlerwirkungsgrad durch Optimierung der Dicke der Anpaßschicht 8 verbessern.
  • Der beschriebene Ultraschall-Schichtwandler 1 nach Figur 2 kann aus den genannten Einzelteilen durch Verklebung, vorzugsweise mittels reaktiver Kleber, hergestellt werden. Diese Fertigungs­methode erfordert jedoch aufwendige und genaue Handarbeit und ist damit recht kostenaufwendig. Der Fertigungsprozeß läßt sich wesentlich dadurch erleichtern, daß die beschriebene Anordnung durch Gießen hergestellt wird. Hierbei werden beispielsweise die Dämpfungsklötze 5 in eine Gießform eingebracht, die in ih­rem Freiraum der Außengeometrie des späteren Wandlers entspricht. Die Beschwerungsklötze besitzen Nuten 9 zur Aufnahme und Füh­rung des Piezokeramikplättchens 2, das nach Füllung des Gieß­formhohlraums mit noch flüssigem syntaktischen Schaum einge­schoben wird. Mit Aushärtung ist der Herstellungsprozeß im we­sentlichen beendet und der Ultraschall-Schichtwandler 1 kann der Gießform entnommen werden.
  • Für einige Anwendungsfälle werden Ultraschall-Schichtwandler 1 mit mehreren Piezokeramikplättchen 2 benötigt. Diese werden hierbei derart seitlich aneinandergereiht, daß jeweils eine Schicht 3 aus syntaktischem Schaum dazwischenliegt. In den Dämpfungsklötzen 5 sind der Anzahl an Piezokeramikplättchen 2 entsprechend mehrere Nuten 9 zur Aufnahme derselben vorzusehen.

Claims (12)

1. Ultraschall-Schichtwandler (1) mit astigmatischer Schall­keule, der mindestens ein rechteckiges Piezokeramikplättchen (2) aufweist, dessen beide Seiten mit einer Schicht (3) be­legt sind, wobei die Längsseite (4) des Ultraschall-Schicht­wandlers (1) als Schallabstrahlfläche dient und der Ultra­schall-Schichtwandler (1) auf der vierten Planarschwingungsmode der Piezokeramikplättchen (2) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungsteile (5) an den längsseitigen Enden des Ultraschall-Schichtwandlers (1) ange­bracht sind.
2. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsteile als U-förmige, die Enden des Ultraschall-Schichtwandlers (1) um­schließende Dämpfungsklötze (5) ausgebildet sind.
3. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsklötze (5) mindestens eine Nut (9) zur Aufnahme des Piezokeramikplätt­chens (2) aufweisen.
4. Ultraschall-Schichtwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Dämpfungsteile (5) ein mit Füllstof­fen versehenes elastifiziertes Polymer vorgesehen ist.
5. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer mit Füll­stoffen eine Dichte von 1,5 bis 4,5 g/cm³ aufweist.
6. Ultraschall-Schichtwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Schicht (3) ein mit Hohlglaskugeln gefülltes Epoxidharz (7) vorgesehen ist.
7. Ultraschall-Schichtwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der schallabstrahlenden Wandlervorderseite eine Anpaß­schicht (8) vorgesehen ist.
8. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Anpaß­schicht (8) ein mit Hohlglaskugeln gefülltes Epoxidharz (7) verwendet wird.
9. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 7 oder 8, da ­durch gekennzeichnet, daß unterschied­liche Geometrien der Anpaßschicht (8) vorgesehen sind.
10. Ultraschall-Schichtwandler nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß unter­schiedliche Dicken der Anpaßschicht (8) vorgesehen sind.
11. Verfahren zur Fertigung des Ultraschall-Schichtwandlers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Dämpfungsteile (5) mittels einer Gießform gegossen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Piezokeramikplättchen (2) nach Fül­lung des Gießformhohlraums in die Nuten (9) der als Dämpfungs­teile ausgeführten Beschwerungsklötze mit flüssigem, mit Hohl­glaskugeln gefülltem Epoxidharz (7) eingeschoben und anschließend der Ultraschall-Schichtwandler (1) ausgehärtet wird.
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