EP1181988A2 - Piezoelektrischer Ultraschallwandler - Google Patents

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EP1181988A2
EP1181988A2 EP01119332A EP01119332A EP1181988A2 EP 1181988 A2 EP1181988 A2 EP 1181988A2 EP 01119332 A EP01119332 A EP 01119332A EP 01119332 A EP01119332 A EP 01119332A EP 1181988 A2 EP1181988 A2 EP 1181988A2
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EP
European Patent Office
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ultrasonic transducer
tension spring
transducer according
peripheral recess
clamping
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EP01119332A
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EP1181988B1 (de
EP1181988A3 (de
Inventor
Volker Dr. Herrmann
Günther Pfeifer
Michael Kochan
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Sick AG
Original Assignee
Sick AG
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Publication date
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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
    • B06B1/0607—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 multiple elements
    • B06B1/0611—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 multiple elements in a pile
    • B06B1/0618—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 multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer, in particular of the longitudinal transducer type, with at least one arranged between two clamping sections piezoelectric element and at least one tensioning element, with which the piezoelectric element is biased via the clamping sections is.
  • Such ultrasonic transducers are also used as composite longitudinal transducers or ⁇ / 2 transducer.
  • the one provided with electrode surfaces piezoelectric element is polarized and contacted in such a way that when applying an AC voltage of a suitable frequency, the overall structure resonates with respect to the axial direction.
  • the Piezo element arranged between the clamping sections is located thereby in a range of maximum mechanical tension and minimum mechanical vibration speed.
  • the radiation of the ultrasound takes place from the free end face of one of the acting as a waveguide Span sections.
  • the piezoelectric Element prestressed over the clamping sections by means of a clamping element.
  • the object of the invention is an ultrasonic transducer of the aforementioned To create type with the smallest possible size, in which one achieved the greatest possible bias of the piezoelectric element can be without the vibration properties of the ultrasonic transducer be adversely affected.
  • the tension spring according to the invention Due to the small axial length of the tension spring according to the invention this only works with the directly on the piezoelectric element adjacent areas of the clamping sections together. in these areas are the vibration amplitudes and vibration speeds small.
  • the tension spring according to the invention with the screwed two clamping sections by placing them under the intermediate layer of the piezoelectric element from opposite sides into the annular Tension spring can be screwed in.
  • Allow minimal axial length is avoided that the tension spring with the clamping sections on axially far from the piezoelectric element distant thread areas interacts with strong vibration activity. Disruptive damping effects in the thread areas avoided in this way.
  • the tension spring by suitable Dimensioning the circumferential recess specifically to the respective ultrasonic transducer can be adjusted.
  • the circumferential recess can advantageously be dimensioned in such a way that the desired one Target bias for the piezoelectric element on the one hand there is sufficient travel and, on the other hand, the maximum permissible tension or resilience of the material forming the tension spring is not exceeded.
  • the circumferential recess can be targeted - in particular also in Depending on the dimensions of the tension spring itself - dimensioned in this way be that in the working frequency range of the ultrasonic transducer no natural vibration modes of the tension spring occur. In particular the operation of broadband longitudinal transducers is thereby in the main transmission frequency range or working frequency range through the Tension spring not affected.
  • the tension spring through corresponding configuration of the peripheral recess formed in this way are that such natural vibration modes of the tension spring avoided that are outside the working frequency range of the ultrasonic transducer lie, but still to adverse interference from can operate it.
  • the large spring travel possible due to the invention have the advantage that the influence of changes in environmental parameters such as the temperature on the operation of the ultrasonic transducer is minimal and Aging processes in the spring material can be compensated. According to the invention a high resistance to varying work or Achieve environmental conditions and against aging.
  • the peripheral recess is preferably slit or slit-shaped. Furthermore, the peripheral recess extends radially Direction preferred through the entire wall of the ring spring, i.e. preferably is the wall of the ring spring over the angular range of the circumferential recess interrupted in the axial direction.
  • the peripheral recess at least partially with a vibration-damping Material is filled. Disruptive swing-in and swing-out processes can be specifically damped by such a measure and on this Way ineffective.
  • a potting material is preferably used with which the peripheral recess is poured out.
  • Providing a circumferential recess is particularly advantageous at least partially filling damping mass in applications, at which are sent short ultrasonic pulses with the ultrasonic transducer or should be received, as this is the transient and decay function of the ultrasonic transducer is of great importance in terms of measurement technology due.
  • the tension spring has two axially spaced circumferential recesses.
  • the object on which the invention is based also becomes satisfactory by providing three or more circumferential recesses solved.
  • the avoidance or suppression of the disturbing natural vibration modes is then associated with greater effort.
  • the components of the ultrasonic transducer depending on the to optimize the optimized properties of the tension spring instead of Adapt spring to the ultrasonic transducer.
  • FIGS Subclaims Further preferred embodiments of the invention are also shown in FIGS Subclaims, the description and the drawing.
  • the ultrasonic transducer according to the invention comprises two cylindrical ones Clamping sections 12, 14, one of which 12 made of a heavy metal such as. Steel and the other 14 made of a light metal, in particular Titanium, aluminum or magnesium is made. According to the invention in principle, other materials are also possible.
  • the two clamping sections 12, 14 are each with an external thread 13, 15 provided, via which they with the internal thread 19 of an annular Tension spring 18 are screwed.
  • the tension spring 18 serves as a tension member, with a piezoelectric element 16 between them facing end faces of the screwed with the tension spring 18 Clamping sections 12, 14 can be compressed.
  • the clamping sections 12, 14 can each be desired Bias of the piezoelectric element 16 can be set.
  • the piezoelectric element 16 is preferably made of a piezoceramic manufactured and can - as indicated in the figure - in several Disks 16a, 16b be divided.
  • the piezo disks 16a, 16b are provided with flat electrodes 28 which via connections 32 with an alternating voltage of a predetermined frequency can be controlled such that the axial length of the piezoelectric Element 16, i.e. each the slice thickness, according to the time varied.
  • the piezo element 16 thus forms an axial force source with which with a suitable frequency of the applied AC voltage, the overall arrangement set in axial vibrations or longitudinal vibrations and can be stimulated to a longitudinal resonance.
  • the free end face of the one made of light material (in the figure right) clamping section 14 serves as a transmitting and / or receiving surface 34, via which the ultrasonic signals are emitted or via which ultrasound signals are received.
  • the piezoelectric element 16 is in the largest mechanical range Tension and lowest vibration speed of the overall structure lies, the vibration speed is in the plane of the Sending and / or receiving area 34 maximum.
  • This effect can be reinforced that the existing of the light material Clamping section 14 in the direction of the transmitting and / or receiving surface 34 is tapered, but before the free end of the Diameter of the clamping section 14 increases again so that the Transmitting and / or receiving surface 34 from a plate-shaped end section 50 is formed. This will minimize weight achieved, the size of the due to the area-enlarging plate 50 Transmitting or receiving area 34 is not reduced.
  • the clamping section 14 by dashed lines only indicated schematically.
  • such a composite structure in which an or multi-part piezoelectric element 16 between two clamping sections 12, 14 is clamped also as a longitudinal oscillator or as ⁇ / 2 transducer.
  • Such an ultrasonic transducer is used, for example, in industrial applications used for distance measurement and flow measurement by short ultrasonic pulses are sent and received.
  • a central channel 36 is provided in the left clamping section 12 in the figure, its central axis with the longitudinal axis 27 of the overall arrangement coincides.
  • the channel 36 and central openings 17a, 17b in the Piezo disks 16a, 16b serve to receive connecting lines 38 to control the electrodes 28 via the connections 32, this in the figure is only indicated schematically.
  • the tension spring 18 for biasing the piezo element 16 has a low one axial length and is in a middle, in the area of the piezo element 16 arranged section with respect to end edge sections, in which the tension spring 18 with the tensioning sections 12, 14 is screwed, expanded radially outwards.
  • the circumferential recesses 22, 24 extend as a function of one depending on the application, larger or smaller angular range, i.e. greater or smaller part of the circumference of the tension spring 18th It is preferred if the remaining peripheral sections that in each case two of the regions axially separated by the cutouts 22, 24 Connect 18a, 18b, 18c of the tension spring 18 to one another, in the circumferential direction are mutually offset.
  • the two recesses 22, 24 such that they only in the circumferential direction by a comparatively short web are interrupted, with the two webs 180 ° against each other Are arranged offset staggered.
  • the peripheral cutouts 22, 24 are dependent on the dimensions, in particular the axial length of the tension spring 18 dimensioned in this way and arranged that in the working frequency range or main transmission frequency range of the ultrasonic transducer no natural vibrations the tension spring 18 arise.
  • the tension spring 18 can thus be matched Design of the circumferential recesses 22, 24 in a particularly simple manner Way to the respective ultrasonic transducer or to its required Operating parameters are adjusted.
  • the circumferential recesses 22, 24 are also provided with a damping mass 26 poured out, causing annoying settling and swinging out effects be dampened.
  • Such transient and decay processes can by outside the working frequency range of the ultrasonic transducer lying natural vibrations of the tension spring 18 are excited. in principle is a satisfactory operation of the ultrasonic transducer according to the invention also possible without pouring out the cutouts 22, 24. Without the vibration-damping material in the circumferential recesses 22, 24 it can happen under certain constellations, that the operation of the ultrasonic transducer by the natural vibrations the ring spring 18 is impaired. This is due to the material in the Cutouts 22, 24 safely avoided.
  • the tension spring 18 can be targeted to the respective Conditions to be adjusted.
  • Deviating from the embodiment of the invention described above with a two-stage recess, slot or gap construction can also the tension spring 18 only with a single circumferential recess or alternatively with three or even larger ones Number of circumferential recesses can be provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, insbesondere vom Längsschwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten angeordneten piezoelektrischen Element und wenigstens einem Spannorgan, mit dem das piezoelektrische Element über die Spannabschnitte vorgespannt ist, wobei als Spannorgan eine ringförmige Spannfeder vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, insbesondere vom Längsschwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten angeordneten piezoelektrischen Element und wenigstens einem Spannorgan, mit dem das piezoelektrische Element über die Spannabschnitte vorgespannt ist.
Derartige Ultraschallwandler werden auch als zusammengesetzte Längsschwinger oder λ/2-Schwinger bezeichnet. Das mit Elektrodenflächen versehene piezoelektrische Element wird derart polarisiert und kontaktiert, daß beim Anlegen einer Wechselspannung geeigneter Frequenz die Gesamtstruktur in Resonanz bezüglich der axialen Richtung gelangt. Das zwischen den Spannabschnitten angeordnete Piezoelement befindet sich dabei in einem Bereich maximaler mechanischer Spannung und minimaler mechanischer Schwingungsgeschwindigkeit. Die Abstrahlung des Ultraschalls erfolgt von der freien Stirnseite eines der als Wellenleiter wirkenden Spannabschnitte. Um eine möglichst hohe Sendeleistung bei ausreichender Stabilität der Anordnung zu erreichen, wird das piezoelektrische Element über die Spannabschnitte mittels eines Spannorgans vorgespannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art mit möglichst geringer Baugröße zu schaffen, bei dem eine möglichst große Vorspannung des piezoelektrischen Elementes erzielt werden kann, ohne daß die Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers nachteilig beeinträchtigt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale, wonach als Spannorgan eine ringförmige Spannfeder vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung ausgebildet ist.
Durch das Vorsehen einer Umfangsaussparung in einem ringförmigen Spannorgan wird bei minimaler axialer Baulänge ein maximaler Federweg erzielt. Durch den im Vergleich zur Baulänge großen Federweg können hohe Vorspannungen des piezoelektrischen Elementes realisiert werden, ohne dabei die zulässige Belastbarkeit der Spannfeder zu überschreiten. Daher ist die Spannfeder auch bei hohen Vorspannungen zu Schwingungen in der Lage, die den Betrieb des Ultraschallwandlers nicht beeinträchtigen.
Durch die geringe axiale Baulänge der erfindungsgemäßen Spannfeder wirkt diese lediglich mit den unmittelbar an das piezoelektrische Element angrenzenden Bereichen der Spannabschnitte zusammen. In diesen Bereichen sind die Schwingungsamplituden und Schwingungsgeschwindigkeiten klein. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Spannfeder mit den beiden Spannabschnitten verschraubt, indem diese unter Zwischenlage des piezoelektrischen Elementes von entgegengesetzten Seiten in die ringförmige Spannfeder eingeschraubt werden. Durch die erfindungsgemäß ermöglichte minimale axiale Baulänge wird vermieden, daß die Spannfeder mit den Spannabschnitten an axial weit vom piezoelektrischen Element entfernten Gewindebereichen starker Schwingungsaktivität zusammenwirkt. Störende Dämpfungswirkungen in den Gewindebereichen werden auf diese Weise vermieden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Spannfeder durch geeignete Dimensionierung der Umfangsaussparung gezielt an den jeweiligen Ultraschallwandler angepaßt werden kann. In vorteilhafter Weise kann die Umfangsaussparung derart dimensioniert werden, daß bei der jeweils gewünschten Sollvorspannung für das piezoelektrische Element einerseits ein ausreichender Federweg vorhanden ist und andererseits die maximal zulässige Spannung oder Belastbarkeit des die Spannfeder bildenden Materials nicht überschritten ist.
Des weiteren kann die Umfangsaussparung gezielt - insbesondere auch in Abhängigkeit von den Abmessungen der Spannfeder selbst - derart bemessen werden, daß im Arbeitsfrequenzbereich des Ultraschallwandlers keine Eigenschwingungsmoden der Spannfeder auftreten. Insbesondere der Betrieb von breitbandigen Längsschwingern wird dadurch im Hauptübertragungsfrequenzbereich oder Arbeitsfrequenzbereich durch die Spannfeder nicht beeinträchtigt. Außerdem kann die Spannfeder durch entsprechende Ausgestaltung der Umfangsaussparung derart ausgebildet werden, daß auch solche Eigenschwingungsmoden der Spannfeder vermieden werden, die zwar außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ultraschallwandlers liegen, aber dennoch zu nachteiligen Störungen von dessen Betrieb führen können.
Erfindungsgemäß kann daher auf einfache Weise eine Optimierung des Eigenschwingungsspektrums der Spannfeder in Abhängigkeit von den Eigenschaften oder dem Betriebsverhalten des jeweiligen Ultraschallwandlers erfolgen.
Die aufgrund der Erfindung möglichen großen Federwege haben den Vorteil, daß der Einfluß von Änderungen der Umgebungsparameter wie z.B. der Temperatur auf den Betrieb des Ultraschallwandlers minimal ist und Alterungsvorgänge im Federwerkstoff kompensiert werden. Erfindungsgemäß läßt sich also eine hohe Resistenz gegen variierende Arbeits- bzw. Umgebungsbedingungen und gegen Alterung erzielen.
Die Umfangsaussparung ist vorzugsweise schlitz- oder spaltförmig ausgebildet. Des weiteren erstreckt sich die Umfangsaussparung in radialer Richtung bevorzugt durch die ganze Wandung der Ringfeder, d.h. vorzugsweise ist die Wandung der Ringfeder über den Winkelbereich der Umfangsaussparung in axialer Richtung unterbrochen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Umfangsaussparung zumindest teilweise mit einem schwingungsdämpfenden Material gefüllt ist. Störende Ein- und Ausschwingvorgänge können durch eine derartige Maßnahme gezielt gedämpft und auf diese Weise unwirksam gemacht werden.
Bevorzugt wird ein Vergußmaterial eingesetzt, mit dem die Umfangsaussparung ausgegossen wird.
Von besonderem Vorteil ist das Vorsehen einer die Umfangsaussparung zumindest teilweise ausfüllenden Dämpfungsmasse in Anwendungen, bei denen mit dem Ultraschallwandler kurze Ultraschallimpulse ausgesendet bzw. empfangen werden sollen, da hierbei der Ein- und Ausschwingfunktion des Ultraschallwandlers in meßtechnischer Hinsicht eine große Bedeutung zukommt.
Eine besonders gute Anpassung der Spannfeder an die jeweiligen Anforderungen ist dann möglich, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung die Spannfeder zwei axial beabstandete Umfangsaussparungen aufweist.
Mit einer derartigen zweistufigen Konstruktion können hohe Vorspannungen bei gleichzeitig großen Federwegen erzielt werden, ohne die axiale Baulänge wesentlich zu erhöhen und ohne die Vermeidung von störenden Eigenschwingungsmoden wesentlich zu erschweren.
Grundsätzlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch durch das Vorsehen von drei oder mehr Umfangsaussparungen zufriedenstellend gelöst. Die Umgehung bzw. Unterdrückung der störenden Eigenschwingungsmoden ist dann allerdings mit größerem Aufwand verbunden. In derartigen Fällen kann es vorteilhaft sein und ist es erfindungsgemäß möglich, die Bauteile des Ultraschallwandlers in Abhängigkeit von den optimierten Eigenschaften der Spannfeder zu dimensionieren, anstatt die Spannfeder an den Ultraschallwandler anzupassen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers zeigt.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler umfaßt zwei zylindrische Spannabschnitte 12, 14, von denen der eine 12 aus einem schweren Metall wie z.B. Stahl und der andere 14 aus einem leichten Metall, insbesondere Titan, Aluminium oder Magnesium hergestellt ist. Erfindungsgemäß kommen prinzipiell auch andere Materialien in Frage.
Die beiden Spannabschnitte 12, 14 sind jeweils mit einem Außengewinde 13, 15 versehen, über die sie mit dem Innengewinde 19 einer ringförmigen Spannfeder 18 verschraubt sind. Die Spannfeder 18 dient als ein Spannorgan, mit dem ein piezoelektrisches Element 16 zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der mit der Spannfeder 18 verschraubten Spannabschnitte 12, 14 zusammengedrückt werden kann. Durch die Einschraubtiefe der Spannabschnitte 12, 14 kann eine jeweils gewünschte Vorspannung des piezoelektrischen Elementes 16 eingestellt werden.
Das piezoelektrische Element 16 ist bevorzugt aus einer Piezokeramik hergestellt und kann - wie es in der Figur angedeutet ist - in mehrere Scheiben 16a, 16b aufgeteilt sein.
Die Piezoscheiben 16a, 16b sind mit flächigen Elektroden 28 versehen, die über Anschlüsse 32 mit einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz derart angesteuert werden können, daß die axiale Länge des piezoelektrischen Elementes 16, d.h. jeweils die Scheibendicke, entsprechend zeitlich variiert. Das Piezoelement 16 bildet somit eine axiale Kraftquelle, mit der bei passender Frequenz der angelegten Wechselspannung die Gesamtanordnung in axiale Schwingungen oder Längsschwingungen versetzt und dabei zu einer Längsresonanz angeregt werden kann.
Die freie Stirnseite des aus dem leichten Material hergestellten (in der Figur rechten) Spannabschnitts 14 dient dabei als Sende- und/oder Empfangsfläche 34, über welche die Ultraschallsignale abgestrahlt bzw. über welche Ultraschallsignale empfangen werden.
Während das piezoelektrische Element 16 im Bereich größter mechanischer Spannung und kleinster Schwingungsgeschwindigkeit der Gesamtstruktur liegt, ist die Schwingungsgeschwindigkeit in der Ebene der Sende- und/oder Empfangsfläche 34 maximal. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, daß der aus dem leichten Werkstoff bestehende Spannabschnitt 14 in Richtung der Sende- und/oder Empfangsfläche 34 verjüngend ausgebildet wird, wobei jedoch vor dem freien Ende der Durchmesser des Spannabschnitts 14 wieder derart zunimmt, daß die Sende- und/oder Empfangsfläche 34 von einem plattenförmigen Endabschnitt 50 gebildet wird. Auf diese Weise wird eine Gewichtsminimierung erzielt, wobei aufgrund der flächenvergrößernden Platte 50 die Größe der Sende- bzw. Empfangsfläche 34 nicht verringert wird. In der Figur ist eine derartige Ausgestaltung des Spannabschnitts 14 durch gestrichelte Linien lediglich schematisch angedeutet.
Allgemein wird eine derartige zusammengesetzte Struktur, bei der ein einoder mehrteiliges piezoelektrisches Element 16 zwischen zwei Spannabschnitten 12, 14 eingeklemmt ist, auch als Längsschwinger oder als λ/2-Schwinger bezeichnet.
Ein derartiger Ultraschallwandler wird beispielsweise in industriellen Anwendungen zur Abstandsmessung und Durchflußmessung eingesetzt, indem kurze Ultraschallimpulse abgesendet und empfangen werden.
Im in der Figur linken Spannabschnitt 12 ist ein zentraler Kanal 36 vorgesehen, dessen Mittelachse mit der Längsachse 27 der Gesamtanordnung zusammenfällt. Der Kanal 36 sowie zentrale Durchbrüche 17a, 17b in den Piezoscheiben 16a, 16b dienen zur Aufnahme von Anschlußleitungen 38 zur Ansteuerung der Elektroden 28 über die Anschlüsse 32, wobei dies in der Figur lediglich schematisch angedeutet ist.
Die Spannfeder 18 zum Vorspannen des Piezoelementes 16 weist eine geringe axiale Baulänge auf und ist in einem mittleren, im Bereich des Piezoelementes 16 angeordneten Abschnitt bezüglich stirnseitiger Randabschnitte, in denen die Spannfeder 18 mit den Spannabschnitten 12, 14 verschraubt ist, radial nach außen erweitert.
In diesem mittleren Abschnitt sind in der Wandung der Spannfeder 18 zwei Umfangsaussparungen 22, 24 mit identischem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. An den Umfangsaussparungen 22, 24 ist die Wandung der Spannfeder 18 vollständig durchtrennt, d.h. die Wandung der Spannfeder 18 ist durch die Aussparungen 22, 24 im entsprechenden Umfangsbereich in axialer Richtung unterbrochen.
Die Umfangsaussparungen 22, 24 erstrecken sich über einen in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung größeren oder kleineren Winkelbereich, d.h. größeren oder kleineren Teil des Umfangs der Spannfeder 18. Dabei ist es bevorzugt, wenn die verbleibenden Umfangsabschnitte, die jeweils zwei der durch die Aussparungen 22, 24 axial getrennten Bereiche 18a, 18b, 18c der Spannfeder 18 miteinander verbinden, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. So ist es beispielsweise möglich, die beiden Aussparungen 22, 24 jeweils derart auszubilden, daß sie in Umfangsrichtung lediglich durch einen vergleichsweise kurzen Steg unterbrochen sind, wobei die beiden Stege um 180° gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
Durch das Vorsehen der Aussparungen oder Schlitze oder Spalte 22, 24 werden in der Wandung der Spannfeder 18 Biegespannungszonen gebildet, die als Federelemente wirken. Dadurch wird der insgesamt zur Verfügung stehende axiale Federweg der Spannfeder 18 vergrößert, ohne daß hierzu eine Vergrößerung von deren axialer Baulänge erforderlich ist.
Die Umfangsaussparungen 22, 24 sind in Abhängigkeit von den Abmessungen, insbesondere der axialen Länge, der Spannfeder 18 derart bemessen und angeordnet, daß im Arbeitsfrequenzbereich oder Hauptübertragungsfrequenzbereich des Ultraschallwandlers keine Eigenschwingungen der Spannfeder 18 entstehen. Die Spannfeder 18 kann somit durch passende Ausgestaltung der Umfangsaussparungen 22, 24 in besonders einfacher Weise an den jeweiligen Ultraschallwandler bzw. an dessen geforderten Betriebsparameter angepaßt werden.
Die Umfangsaussparungen 22, 24 sind des weiteren mit einer Dämpfungsmasse 26 ausgegossen, wodurch störende Ein- und Ausschwingeffekte gedämpft werden. Derartige Ein- und Ausschwingvorgänge können durch außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ultraschallwandlers liegende Eigenschwingungen der Spannfeder 18 angeregt werden. Prinzipiell ist ein zufriedenstellender Betrieb des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers auch ohne Ausgießen der Aussparungen 22, 24 möglich. Ohne das schwingungsdämpfende Material in den Umfangsaussparungen 22, 24 kann es allerdings unter bestimmten Konstellationen passieren, daß der Betrieb des Ultraschallwandlers durch die Eigenschwingungen der Ringfeder 18 beeinträchtigt wird. Dies wird durch das Material in den Aussparungen 22, 24 sicher vermieden.
Durch die Wahl eines passenden Dämpfungsmaterials 26, z.B. einer elastischen Vergußmasse, kann die Spannfeder 18 gezielt an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.
Abweichend von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung mit einer zweistufigen Aussparungs-, Schlitz- oder Spaltkonstruktion kann die Spannfeder 18 auch lediglich mit einer einzigen Umfangsaussparung oder alternativ auch mit drei oder einer noch größeren Anzahl von Umfangsaussparungen versehen sein.
Bezugszeichenliste
12
Spannabschnitt
13
Außengewinde
14
Spannabschnitt
15
Außengewinde
16
piezoelektrisches Element
16a
Scheibe
16b
Scheibe
17a
Durchbruch
17b
Durchbruch
18
Spannorgan, Spannfeder
18a
Bereiche der Spannfeder
18b
Bereiche der Spannfeder
18c
Bereiche der Spannfeder
19
Innengewinde
22
Umfangsaussparung
24
Umfangsaussparung
25
Dämpfungsmaterial
26
Vergußmasse
27
Längsachse
28
Elektrode
32
Anschluß
34
Sende- und/oder Empfangsfläche
36
Kanal
38
Anschlußleitungen
50
plattenförmiger Endabschnitt

Claims (13)

  1. Ultraschallwandler, insbesondere vom Längsschwinger-Typ, mit zumindest einem zwischen zwei Spannabschnitten (12, 14) angeordneten piezoelektrischen Element (16) und wenigstens einem Spannorgan (18), mit dem das piezoelektrische Element (16) über die Spannabschnitte (12, 14) vorgespannt ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Spannorgan eine ringförmige Spannfeder (18) vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung (22, 24) ausgebildet ist.
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwei axial beabstandete Umfangsaussparungen (22, 24) vorgesehen sind.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Eigenschwingungsspektrum der Spannfeder (18) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Ultraschallwandler, insbesondere von dessen Arbeitsfrequenzbereich, optimiert ist.
  4. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) derart ausgebildet ist, daß im Arbeitsfrequenzbereich des Ultraschallwandlers Eigenschwingungen der Spannfeder (18) vermieden sind.
  5. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) derart ausgebildet ist, daß Ein- und/oder Ausschwingvorgänge, die durch Eigenschwingungen der Spannfeder (18) außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Ultraschallwandlers hervorgerufen werden, unterdrückt sind.
  6. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) zumindest teilweise mit einem schwingungsdämpfenden Material, insbesondere mit einer Vergußmasse (26), gefüllt ist.
  7. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) schlitz- oder spaltförmig ist.
  8. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsaussparung (22, 24) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  9. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Begrenzungsflächen der Umfangsaussparung (22, 24) senkrecht zur Längsachse (27) der Spannfeder verlaufen.
  10. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Spannfeder (18) an der Umfangsaussparung (22, 24) vollständig durchtrennt ist.
  11. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (18) im Bereich der Umfangsaussparung (22, 24) gegenüber ihren stirnseitigen Randabschnitten radial nach außen erweitert ist.
  12. Spannorgan für einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß es in Form einer ringförmigen Spannfeder (18) vorgesehen ist, in deren Wandung wenigstens eine Umfangsaussparung (22, 24) ausgebildet ist.
  13. Spannorgan nach Anspruch 12 mit den eine Spannfeder (18) betreffenden Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 11.
EP01119332A 2000-08-17 2001-08-10 Piezoelektrischer Ultraschallwandler Expired - Lifetime EP1181988B1 (de)

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