EP1232023A1 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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EP1232023A1
EP1232023A1 EP00989772A EP00989772A EP1232023A1 EP 1232023 A1 EP1232023 A1 EP 1232023A1 EP 00989772 A EP00989772 A EP 00989772A EP 00989772 A EP00989772 A EP 00989772A EP 1232023 A1 EP1232023 A1 EP 1232023A1
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EP
European Patent Office
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layer
ultrasonic transducer
ultrasonic vibrator
ultrasonic
reverberant
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EP00989772A
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German (de)
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Inventor
Rudolf Thurn
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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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
    • 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

  • Sound-proof or hard-sounding materials are understood to mean materials whose wave resistance, defined as the product of material density and material wave velocity, is very low or very high. Due to the inventive sequence of layers with alternating sound-soft and hard-sounding materials, the structure-borne sound coupling from the ultrasonic vibrator to the outside as well as the structure-borne sound flow directed back to the ultrasound vibrator undergoes a strong mismatch; approximate total reflection always takes place on the differently hard-sounding layers, so that the Total transmission is reduced to a minimum. The structure-borne sound insulation is better, the greater the differences in the wave resistances at the individual layers.

Abstract

The invention relates to an ultrasonic transducer (1), comprising a housing (2) in which an ultrasonic oscillator consisting of a piezo ceramic device (3) and an adapter layer (4) is supported with a nonpositive and positive fit. Said nonpositive and positive fit is achieved with at least four layers (8, 9, 10, 11, 12, 2) with acoustic wave impedances that vary to alternate degrees.

Description

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staltung dieses Prinzips ist in DE 38 32 947 C2 angegeben, bei der die Anpaßschicht über die Rückseite der Piezokeramik hinaus dünnwandig und rohrförmig verlängert ist, wobei diese Verlängerung etwa ein Viertel der Schallwellenlänge beträgt. In diesem Bereich wird der Wandler über einen elastischen Einspannring gehalten, wodurch die Körperschallübertragung deutlich verringert wird. Nachteilig ist bei Lösungen dieser Art, daß der aus der Gerätekontur hervorstehende Wandler empfindlich gegen Beschädigungen ist und häufig auch die Baulän- ge des Näherungsschalters vergrößert.Design of this principle is given in DE 38 32 947 C2, in which the matching layer is thin-walled and tubularly extended beyond the back of the piezoceramic, this lengthening being approximately a quarter of the sound wavelength. In this area, the transducer is held by an elastic clamping ring, which significantly reduces the transmission of structure-borne noise. A disadvantage of solutions of this type is that the transducer protruding from the device contour is sensitive to damage and often also increases the overall length of the proximity switch.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von Ultraschall vorzugsweise für Ultraschall-Näherungsschalter anzugeben, die unemp- findlich gegenüber einer Übertragung von Körperschall ist und dabei die Nachteile der beschriebenen bekannten Lösungsansätze vermeidet .It is therefore an object of the present invention to provide a device for transmitting and receiving ultrasound, preferably for ultrasound proximity switches, which is insensitive to the transmission of structure-borne noise and thereby avoids the disadvantages of the known approaches described.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den folgenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst:The object is achieved according to the invention with the following features according to claim 1:
a) mit einem Gehäuse, in dem ein aus einer Piezokeramik und einer Anpaßschicht gebildeter Ultraschallschwinger kraft- und/oder formschlüssig gehaltert ist, b) der Kraft- und/oder Formschluß erfolgt über mindestens vier Schichten mit abwechselnd stark unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen, c) die Schichten sind von dem Ultraschallschwinger aus betrachtet in folgender Reihenfolge angeordnet, d) der Ultraschallschwinger ist in eine erste schallweiche Schicht mit mindestens einem elastischem Dämpfungsmaterial als Bestandteil eingebettet, e) die erste Schicht ist von einer zweiten Schicht umgeben, die aus mindestens einem schallharten Material, vorzugs- weise Metall, besteht, f) um die zweite, schallharte Schicht liegt eine dritte, schallweiche Schicht, die die zweite Schicht mindestens in der vom Ultraschallschwinger radial nach außen zum Gehäuse hin gerichteten Richtung umgibt und die einen oder mehrere schaumförmige Kunststoffe umfaßt, deren Dichte stets kleiner als 0,6 kg/dm3 ist, und g) die dritte Schicht ist mindestens teilweise von einer vierten Schicht mit hohem akustischen Wellenwiderstand umgeben .a) with a housing in which an ultrasonic oscillator formed from a piezoceramic and a matching layer is held in a force-fitting and / or form-fitting manner, b) the force-fitting and / or form-fitting connection takes place over at least four layers with alternatingly different acoustic wave resistances, c) the When viewed from the ultrasonic vibrator, layers are arranged in the following order, d) the ultrasonic vibrator is embedded in a first sound-soft layer with at least one elastic damping material as a component, e) the first layer is surrounded by a second layer, which is made of at least one reverberant material, preferably metal, f) around the second, reverberant layer there is a third, reverberant layer, which at least the second layer surrounds in the direction radially outward from the ultrasonic vibrator towards the housing and which comprises one or more foam-shaped plastics, the density of which is always less than 0.6 kg / dm 3 , and g) the third layer is at least partially made up of a fourth layer surrounded by high acoustic wave resistance.
Unter schallweichen bzw. schallharten Materialien werden sol- ehe Materialien verstanden, deren Wellenwiderstand, definiert als das Produkt aus Materialdichte und Materialwellengeschwindigkeit, sehr niedrig bzw. sehr hoch liegt. Durch die erfindungsgemäße Aufeinanderfolge von Schichten mit abwechselnd schallweichen und schallharten Materialien findet der vom Ultraschallschwinger nach außen ins Gehäuse überkoppelnde Körperschall sowie auch der zum Ultraschallschwinger zurück gerichtete Körperschallstrom eine starke Fehlanpassung vor, an den unterschiedlich schallharten Schichten findet stets jeweils annähernde Totalreflexion statt, so daß die Gesamt- Transmission auf ein Minimum reduziert wird. Die Körperschalldämmung ist dabei um so besser, je größer die Unterschiede der Wellenwiderstände an den einzelnen Schichten sind.Sound-proof or hard-sounding materials are understood to mean materials whose wave resistance, defined as the product of material density and material wave velocity, is very low or very high. Due to the inventive sequence of layers with alternating sound-soft and hard-sounding materials, the structure-borne sound coupling from the ultrasonic vibrator to the outside as well as the structure-borne sound flow directed back to the ultrasound vibrator undergoes a strong mismatch; approximate total reflection always takes place on the differently hard-sounding layers, so that the Total transmission is reduced to a minimum. The structure-borne sound insulation is better, the greater the differences in the wave resistances at the individual layers.
Die vierte Schicht kann ein Gehäuse des Ultraschall-Wandlers darstellen. Die Fehlanpassungen des Wellenwiderstands in den Schichten eins bis drei sind bei erfindungsgemäßem Aufbau in der Regel schon so effektiv, daß für diese Schicht auch herkömmliche Kunststoffe mit einem Wellenwiderstand, der niedri- ger als der von Metallen ist, zur KörperSchalldämmung ausreichend sind.The fourth layer can represent a housing of the ultrasound transducer. The mismatches in the wave resistance in layers one to three are usually so effective with the structure according to the invention that even conventional plastics with a wave resistance that is lower than that of metals are sufficient for body sound insulation for this layer.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 , 3 und 4 zu entnehmen .Advantageous developments of the invention can be found in subclaims 2, 3 and 4.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Schicht des Ultraschall-Wandlers aus einem Kunststoff mit einer Dichte kleiner 0,2 kg/dm3 besteht, da hierfür eine besonders gute Körperschallentkopplung erreicht wird. Bei körperschallmäßig sehr ungünstigen Einbaubedingungen des Wandlers und/oder bei sehr hoher SignalVerstärkung der Sensorelektronik kann diese erhöhte Körperschallentkopplung notwendig sein.It is particularly advantageous if the third layer of the ultrasound transducer is made of a plastic with a density less than 0.2 kg / dm 3 , because a particularly good structure-borne noise decoupling is achieved for this. In the case of installation conditions of the transducer that are very unfavorable in terms of structure-borne noise and / or in the case of very high signal amplification of the sensor electronics, this increased structure-borne noise decoupling may be necessary.
Bei der Herstellung der Wandler sind Schichten mit derartig kleinen Dichten nur mit Aufwand als Gießmasse einzubringen, besonders wenn die Schichtstärke bei kleinen Bauformen sehr dünn ist. Daher ist es vorteilhaft, für die dritte Schicht vorgefertigte Schaumstoff-Formteile zu verwenden.In the manufacture of the transducers, layers with such low densities can only be incorporated as casting compound with great effort, especially if the layer thickness is very thin in the case of small designs. It is therefore advantageous to use prefabricated foam molded parts for the third layer.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zum elektrischen Anschluß des Ultraschall-Wandlers lackisolierte Hochfrequenz- litze mit einem Gesamtquerschnitt von weniger als 0,05 mm2 verwendet wird. Bei herkömmlichen Anschlußleitungen wird über den Leiter bzw. die Litze und/oder über die Isolierung, die in der Regel aus Kunststoffen wie z. B. PVC, PUR, Teflon oder ähnlichem besteht, in störendem Ausmaß Körperschall übertra- gen .Furthermore, it is particularly advantageous if, for the electrical connection of the ultrasound transducer, lacquer-insulated high-frequency wire with a total cross section of less than 0.05 mm 2 is used. In the case of conventional connecting lines, the conductor or the stranded wire and / or the insulation, which is usually made of plastics such. B. PVC, PUR, Teflon or the like, to a disruptive extent transmit structure-borne noise.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is explained below with reference to a drawing. Show it:
FIG 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers in einer ersten Ausführungsform, FIG 2 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform mit zusätzlichem Schaumstoffelement und FIG 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungs- form mit zusätzlichem ringförmigen Luftspalt und mit einer mit einem Deckel verschlossenen Öffnung.1 shows a sectional illustration of the ultrasound transducer according to the invention in a first embodiment, FIG. 2 shows a sectional illustration of a further embodiment with an additional foam element, and FIG. 3 shows a sectional illustration of a further embodiment with an additional annular air gap and with an opening closed with a cover.
FIG 1 zeigt die Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers 1, der sich als stirnseitiger Abschluß am Ende einer als Gerätegehäuse dienenden Metallhülse 2 befindet, beispielsweise kann die Metallhülse eine Ml8-Gewinde- hülse sein mit einem Innendurchmesser von ca. 16 mm. Der aktive Teil des Ultraschall-Wandlers 1 ist in bekannter Weise der als Ultraschallschwinger bezeichnete Verbund aus einer Piezokeramik 3 und einer Anpaßschicht 4, die z.B. durch eine Verklebung 5 miteinander verbunden sind. Die Elektroden der Piezokeramik 3 sind über Leitungen 6,7 mit einer nicht weiter dargestellten elektronischen Schaltung zur Aufbereitung der Sende- und Empfangssignale verbunden. Die Leitungen 6,7 bestehen aus lackisolierten HF-Litzen mit einem Gesamtquer- schnitt von jeweils 0,02 mm2. Der Ultraschallschwinger aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4 ist in seinem oberen Teil von einer Gießmasse 8 umgeben, die vorteilhaft als getriebener oder syntaktischer Schaum mit niedrigem akustischem Wellenwiderstand ausgeführt ist. Im unteren Teil ist der Ul- traschallschwinger aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4 von einem Schaumstoffring 9 umgeben, der ebenfalls einen niedrigen akustischen Wellenwiderstand aufweist und gleichzeitig eine Zentrierfunktion gemäß DE 198 09 206 AI haben kann. Die Gießmasse 8 bzw. der Schaumstoffring 9 stellen die erste Schicht von mindestens vier Schichten dar, die den Ultraschallschwinger nach der Lehre der Erfindung umgeben. Der Metalltopf 10 um die erste Schicht dient in bekannter Weise auch zur elektrischen Abschirmung des Ultraschallschwingers aus Piezokeramik 3 und Anpaßschicht 4, hat aber innerhalb der erfindungsgemäßen Schichtbauweise die beschriebene zusätzliche Funktion der KörperSchalldämmung durch Fehlanpassung. Er besteht beispielsweise aus 0,5 mm dickem Stahlblech und hat, bedingt durch die Materialdaten des Metalls, einen hohen akustischen Wellenwiderstand und bildet die zweite Schicht. Die für die Durchführung der Leitungen 6,7 und für das Eingießen der elastischen Dämpfungsmasse 8 notwendigen Öffnungen im Topf 10 sind zur Vermeidung von Körperschallüberkopplung möglichst klein auszubilden und erforderlichenfalls durch geeignete Maßnahmen z.B. Aufkleben oder Anlöten eines schall- harten Deckels mindestens teilweise zu verschließen. Der1 shows the sectional view of an ultrasound transducer 1 according to the invention, which is located at the end at the end of a metal sleeve 2 serving as a device housing, for example the metal sleeve can have an Ml8 thread. be sleeve with an inner diameter of approx. 16 mm. The active part of the ultrasound transducer 1 is, in a known manner, the composite called a ultrasound oscillator, made of a piezoceramic 3 and an adaptation layer 4, which are connected to one another, for example, by an adhesive bond 5. The electrodes of the piezoceramic 3 are connected via lines 6, 7 to an electronic circuit (not shown further) for processing the transmit and receive signals. The lines 6, 7 consist of enameled HF strands with a total cross-section of 0.02 mm 2 each. The upper part of the ultrasonic oscillator made of piezoceramic 3 and matching layer 4 is surrounded by a casting compound 8, which is advantageously designed as a driven or syntactic foam with low acoustic wave resistance. In the lower part, the ultrasonic vibrator made of piezoceramic 3 and matching layer 4 is surrounded by a foam ring 9, which likewise has a low acoustic wave resistance and at the same time can have a centering function according to DE 198 09 206 AI. The casting compound 8 or the foam ring 9 represent the first layer of at least four layers which surround the ultrasonic vibrator according to the teaching of the invention. The metal pot 10 around the first layer also serves in a known manner for the electrical shielding of the ultrasonic vibrator made of piezoceramic 3 and matching layer 4, but within the layer construction according to the invention has the described additional function of body sound insulation due to mismatch. For example, it consists of 0.5 mm thick steel sheet and, due to the material data of the metal, has a high acoustic wave resistance and forms the second layer. The openings in the pot 10 which are necessary for the passage of the lines 6, 7 and for the pouring of the elastic damping compound 8 are to be made as small as possible to avoid structure-borne noise coupling and, if necessary, are at least partially closed by suitable measures, for example by gluing or soldering on a soundproof cover. The
Metalltopf 10 ist in radialer Richtung von einem rohrförmigen Schaumstoffring 11 umgeben, der wiederum einen sehr niedrigen Φ to 1 1 1 1Metal pot 10 is surrounded in the radial direction by a tubular foam ring 11, which in turn is a very low one Φ to 1 1 1 1
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gehen, so sind die beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Körperschallreduzierung nicht darauf beschränkt, sondern haben auch bei beliebigen Wandleranordnungen Gültigkeit. go, the described inventive measures for structure-borne noise are not limited to this, but are also valid for any transducer arrangements.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ultraschall-Wandler (1), insbesondere für die Anwendung in Näherungsschaltern, mit folgenden Merkmalen: a) mit einem Gehäuse (2), in dem ein aus einer Piezokeramik (3) und einer Anpaßschicht (4) gebildeter Ultraschallschwinger kraft- und/oder formschlüssig gehaltert ist, b) der Kraft- und/oder Formschluß erfolgt über mindestens vier Schichten (8,9,10,11,12,2) mit abwechselnd stark un- terschiedlichen akustischen Wellenwiderständen, c) die Schichten (8,9,10,11,12,2) sind von dem Ultraschallschwinger aus betrachtet in folgender Reihenfolge angeordnet, d) der Ultraschallschwinger ist in eine erste schallweiche Schicht (8,9) mit mindestens einem elastischen Dämpfungsmaterial als Bestandteil eingebettet, e) die erste Schicht (8,9) ist von einer zweiten Schicht (10) umgeben, die aus mindestens einem schallharten Material, vorzugsweise Metall, besteht, f) um die zweite, schallharte Schicht (10) liegt eine dritte, schallweiche Schicht (11), die die zweite Schicht (10) mindestens in der vom Ultraschallschwinger radial nach außen zum Gehäuse (2) hin gerichteten Richtung umgibt und die einen oder mehrere schaumförmigen Kunststof- fe umfaßt, deren Dichte stets kleiner als 0,6 kg/dm3 ist, und g) die dritte Schicht (11) ist mindestens teilweise von einer vierten Schicht (12,2) mit hohem akustischen Wellenwiderstand umgeben.1. Ultrasonic transducer (1), in particular for use in proximity switches, with the following features: a) with a housing (2) in which an ultrasonic vibrator formed from a piezoceramic (3) and a matching layer (4) is force and / or is held in a form-fitting manner, b) the force and / or form-locking takes place over at least four layers (8,9,10,11,12,2) with alternating strongly different acoustic wave resistances, c) the layers (8,9, 10,11,12,2) viewed from the ultrasonic vibrator are arranged in the following order, d) the ultrasonic vibrator is embedded in a first soundproof layer (8,9) with at least one elastic damping material as a component, e) the first layer (8 , 9) is surrounded by a second layer (10), which consists of at least one reverberant material, preferably metal, f) around the second, reverberant layer (10) there is a third, reverberant layer (11), which is the second layer (10) at least in surrounds the direction directed radially outwards from the ultrasonic vibrator towards the housing (2) and comprises one or more foam-shaped plastics, the density of which is always less than 0.6 kg / dm 3 , and g) is the third layer (11) at least partially surrounded by a fourth layer (12, 2) with high acoustic wave resistance.
2 . Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die dritte Schicht ( 11 ) schaumf örmigen Kunststof f mit einer Dichte kleiner 0 , 2 kg/dm3 umfaßt . 2nd Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the third layer (11) comprises foamed plastic with a density less than 0.2 kg / dm 3 .
3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Schicht (11) aus mindestens einem vorgefertigten Schaumstoff formteil besteht .3. Ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the third layer (11) consists of at least one prefabricated foam molding.
4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum elektrischen Anschluß (6,7) des Ultraschall-Wandlers lackisolierte Hochfrequenzlitze mit einem Gesamtquerschnitt von weniger als 0,05 mm2 verwendet wird. 4. Ultrasonic transducer according to claim 1, 2 or 3, characterized in that for the electrical connection (6,7) of the ultrasonic transducer enameled high-frequency wire with a total cross section of less than 0.05 mm 2 is used.
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