EP0914215B1 - Ultraschallwandler mit scheibenförmigen viertelwellenlängen-anpassungskörper - Google Patents

Ultraschallwandler mit scheibenförmigen viertelwellenlängen-anpassungskörper Download PDF

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EP0914215B1
EP0914215B1 EP97935425A EP97935425A EP0914215B1 EP 0914215 B1 EP0914215 B1 EP 0914215B1 EP 97935425 A EP97935425 A EP 97935425A EP 97935425 A EP97935425 A EP 97935425A EP 0914215 B1 EP0914215 B1 EP 0914215B1
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ultrasonic transducer
piezoceramic
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disk
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer a disk-shaped piezoceramic body and with a disc-shaped ⁇ / 4 adaptation body.
  • a generic ultrasound transducer is used in Ultrasonic sensors or proximity switches are already known. It has a relatively narrow sound beam characteristic and has relatively small side lobe amplitudes.
  • the ⁇ / 4 adaptation body is used for transmission and for receiving ultrasonic waves in a gaseous propagation medium, preferably for use in ultrasonic proximity switches.
  • DE 39 11 047 C2 describes an ultrasonic transducer with a Piezoceramic body and an adaptation body known in which the surface of the adapter body facing away from the piezoceramic body one in relation to the base area of the piezoceramic body and the surface of the adaptation body facing this has slightly different area size.
  • the Side line of the adjustment body is divergent or converging with a straight, concave or convex course.
  • the sound beam characteristic that can be achieved with this is considerable Side lobe amplitudes of approx. -19 dB compared to the main lobe amplitude is for the use of the ultrasonic transducer, e.g. in confined spaces and in the presence Lateral interference objects, insufficient.
  • EP 0 655 156 B1 describes an ultrasonic transducer with a Adaptation body with cylindrical outer surface disclosed, that on the lateral surface and / or on the piezoceramic body facing surface has an incision. This execution enables straight-forward sound beams with small ones Sidelobe amplitudes of less than -30 dB.
  • the invention has for its object an ultrasonic transducer of the above kind to improve that he narrow main lobe opening angle at the same time small Sidelobe amplitudes.
  • the object is achieved in that the lateral peripheral surface of the ⁇ / 4 adaptation body is designed as a step profile is.
  • FIG. 1 shows the sectional view of an embodiment according to the invention an ultrasonic transducer 1 with a cylindrical, disk-shaped piezoceramic body 2 and one with this e.g. glued disc-shaped adjustment body 3.
  • the lateral peripheral surface of the adapter body 3 is here designed as a simple, right-angled step profile.
  • the present simplified representation is the top one and lower metallization surfaces of the piezoceramic body 2 as well as the metallization surface facing the adaptation body 3, which, for example, through a in the adhesive layer inserted thin metal contact foil or made of a metal-plastic composite is not shown.
  • the lateral step contour results in favorable Waveforms of the outward-facing, sound-emitting Surface of the adapter body 3, which is to be sharpened Lead sonic lobes with very small side lobe amplitudes.
  • the diameter is the disk-shaped piezoceramic body 2 and the Diameter of the base surface facing the piezoceramic body 2 of the adapter body 3 23 mm.
  • the diameter of the averted, outer surface of the adapter body 3 28 mm, the total height of the adaptation body 3 is 6.5 mm, and the height of the protruding part of the fitting body with the diameter of 28 mm is 2.4 mm.
  • the adaptation body 3 consists of a robust syntactic foam an epoxy-hollow glass mixture.
  • the exemplary ultrasonic transducer 1 has a resonant working frequency of approx. 80 kHz with a -3 dB width of the beam angle of approx. 11 ° and very small side lobe amplitudes of approx. -30 dB.
  • Ultrasonic transducer 1 with a step profile
  • the Surfaces are not at right angles to each other. More possible Embodiments arise when the step profile two or more right-angled and / or non-right-angled ones Stages is composed. The thereby enlarging Diameter of the sound radiating surface of the Adaptation body 3 leads to a narrower sound beam opening angle.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper und mit einem scheibenförmigen λ/4-Anpassungskörper.
Ein gattungsgemäßer Ultraschallwandler ist durch Anwendung in Ultraschall-Sensoren bzw. -Näherungsschaltern bereits bekannt. Er weist eine relativ schmale Schallkeulen-Charakteristik auf und hat zugleich verhältnismäßig kleine Nebenkeulenamplituden. Der λ/4-Anpassungskörper dient zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallwellen in ein gasförmiges Ausbreitungsmedium, vorzugsweise zum Einsatz in Ultraschall-Näherungsschaltern.
Aus der DE 39 11 047 C2 ist ein Ultraschallwandler mit einem Piezokeramikkörper und einem Anpassungkörper bekannt, bei dem die dem Piezokeramikkörper abgewandte Fläche des Anpassungskörpers eine im Verhältnis zur Grundfläche des Piezokeramikkörpers und zur diesem zugewandten Fläche des Anpassungskörpers geringfügig unterschiedliche Flächengröße aufweist. Die Seitenlinie des Anpassungskörpers ist dabei divergierend oder konvergierend mit geradem, konkaven oder konvexem Verlauf. Die damit erreichbare Schallkeulen-Charakteristik mit beträchtlichen Nebenkeulenamplituden von ca. -19 dB gegenüber der Hauptkeulenamplitude ist für den Einsatz des Ultraschallwandlers, z.B. bei beengtem Umgebungsbedingungen und Vorhandensein seitlicher Störobjekte, unzureichend.
In der EP 0 655 156 B1 ist ein Ultraschallwandler mit einem Anpassungskörper mit zylindrischer Mantelfläche offenbart, der an der Mantelfläche und/oder an der dem Piezokeramikkörper zugewandten Fläche einen Einschnitt aufweist. Diese Ausführung ermöglicht richtscharfe Schallkeulen mit kleinen Nebenkeulenamplituden von weniger als -30 dB.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß er schmale Hauptkeulenöffnungswinkel bei gleichzeitig kleinen Nebenkeulenamplituden aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die seitliche Umfangsfläche des λ/4-Anpassungskörpers als Stufenprofil ausgebildet ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1
Einen Ultraschallwandler mit rechteckigem Stufenprofil und
FIG 2
einen Ultraschallwandler mit nicht rechteckigem Stufenprofil.
FIG 1 zeigt das Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ultraschallwandlers 1 mit einem zylindrischen, scheibenförmigen Piezokeramikkörper 2 und einem mit diesem z.B. verklebten scheibenförmigen Anpassungskörper 3. Die seitliche Umfangsfläche des Anpassungskörpers 3 ist hier als einfaches, rechtwinkliges Stufenprofil ausgebildet. Bei der vorliegenden vereinfachten Darstellung sind die oberen und unteren Metallisierungsflächen des Piezokeramikkörpers 2 wie auch die dem Anpassungskörper 3 zugewandte Metallisierungsfläche, die beispielsweise durch eine in die Kleberschicht eingelegte dünne Kontaktierungsfolie aus Metall oder aus einem Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff kontaktiert wird, nicht eingezeichnet. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der seitlichen Stufenkontur ergeben sich günstige Schwingungsformen der nach außen gewandten, schallabstrahlenden Oberfläche des Anpassungskörpers 3, die zu richtscharfen Schallkeulen mit sehr kleinen Nebenkeulenamplituden führen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform betragen der Durchmesser des scheibenförmigen Piezokeramikkörpers 2 sowie der Durchmesser der dem Piezokeramikkörper 2 zugewandten Grundfläche des Anpassungskörpers 3 23 mm. Der Durchmesser der abgewandten, äußeren Oberfläche des Anpassungskörpers 3 beträgt 28 mm, die Gesamthöhe des Anpassungskörpers 3 beträgt 6,5 mm, und die Höhe des überstehenden Teils des Anpassungskörpers mit dem Durchmesser von 28 mm beträgt 2,4 mm. Der Anpassungskörper 3 besteht aus einem robusten syntaktischen Schaum aus einem Epoxid-Glashohlkugel-Gemisch. Der beispielhafte Ultraschallwandler 1 hat eine resonante Arbeitsfrequenz von ca. 80 kHz mit einer -3 dB-Breite des Schallkeulenöffnungswinkels von ca. 11° und sehr kleine Nebenkeulenamplituden von ca. -30 dB.
FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 mit einem Stufenprofil, dessen Flächen nicht rechtwinklig zueinander stehen. Weitere mögliche Ausführungsformen ergeben sich, wenn das Stufenprofil aus zwei oder mehreren rechtwinkligen und/oder nicht rechtwinkligen Stufen zusammengesetzt ist. Der sich dadurch vergrößerende Durchmesser der schallabstrahlenden Oberfläche des Anpassungskörpers 3 führt dabei zu einem schmäleren Schallkeulenöffnungswinkel.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsform erläutert ist, sollte berücksichtigt werden, daß damit nicht beabsichtigt ist, die Erfindung nur auf die dargestellte Ausführungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen, Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.

Claims (6)

  1. Ultraschallwandler (1) mit einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper (2) und mit einem scheibenförmigen λ/4-Anpassungskörper (3), dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Umfangsfläche des λ/4-Anpassungskörpers (3) als Stufenprofil (4) ausgebildet ist, wobei die vom Piezokeramikkörper (2) abgewandte, schallabstrahlende Grundfläche des λ/4-Anpassungskörpers (3) über ihren gesamten Bereich eben und größer ist als die Grundfläche des Piezokeramikkörpers (2).
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Piezokeramikkörper (2) zugewandte Grundfläche des Anpassungskörpers (3) von der Grundfläche des Piezokeramikkörpers (2) maximal um 20 % abweicht.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Piezokeramikkörper (2) abgewandte, schallabstrahlende Grundfläche des λ/4-Anpassungskörpers (3) mindestens 30 % größer ist als die Grundfläche des Piezokeramikkörpers (2).
  4. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufenprofil (4) als einfache Stufe mit rechtwinklig zueinander ausgerichteten Flächen ausgebildet ist.
  5. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufenprofil als Profil mit teilweise auch schrägen, nicht rechtwinklig zueinander stehenden Flächen ausgebildet ist.
  6. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufenprofil (4) mit zwei oder mehr rechtwinkligen und/oder nicht rechtwinkligen Stufen ausgebildet ist.
EP97935425A 1996-07-26 1997-07-15 Ultraschallwandler mit scheibenförmigen viertelwellenlängen-anpassungskörper Expired - Lifetime EP0914215B1 (de)

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