EP1911530B1 - Ultraschallwandler mit akustischer Impedanzanpassung - Google Patents

Ultraschallwandler mit akustischer Impedanzanpassung Download PDF

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EP1911530B1
EP1911530B1 EP20070405233 EP07405233A EP1911530B1 EP 1911530 B1 EP1911530 B1 EP 1911530B1 EP 20070405233 EP20070405233 EP 20070405233 EP 07405233 A EP07405233 A EP 07405233A EP 1911530 B1 EP1911530 B1 EP 1911530B1
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EP
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matching layer
ultrasound converter
temperature
matching
acoustic impedance
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Christoph Nölle
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Baumer Electric AG
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Baumer Electric 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
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer with an acoustic impedance matching according to the preamble of patent claim 1.
  • Ultrasonic sensors that operate according to the pulse-echo principle are suitable for non-contact detection of objects within a detection area.
  • a transducer generates a burst or a short ultrasonic wave packet. This propagates into the room according to the directional characteristic of the transducer. If an object is within the detection range of the sensor, a part of the sound waves is usually reflected back towards the transducer. After sending out the ultrasonic burst, the transducer is switched as a receiver and receives the reflected echo signal on the object.
  • the transit time or the duration between the emission of the burst and the reception of the echo is a measure of the distance of the object from the sensor at a known sound velocity in the propagation medium (eg air or water).
  • the temperature of the propagation medium can be detected and, for example, a correction factor can be calculated on the basis of an allocation table, which compensates the temperature dependence of the speed of sound in the propagation medium.
  • Piezoceramic transducers are widely used to generate and receive ultrasound signals.
  • a matching layer serves as an acoustic impedance converter between the reverberant piezoceramic disk and the liquid or gaseous propagation medium.
  • the thickness of the matching layer is dimensioned so that at a resonant frequency of the vibration system as large a part of the sound energy is transmitted to the surrounding medium. Ideally, the thickness of the matching layer is about one quarter of the resonant wavelength in the matching layer.
  • the piezoceramic disk is glued coaxially to the matching layer. This composite is foamed, for example, with a damping or sound-absorbing PU foam so that only the front Abstrahl Structureradial remains free.
  • a disadvantage of epoxide glass hollow ball matching layers are the high price and the sometimes insufficient homogeneity of the starting material. This is usually available in block or plate form or in the form of rods of different diameters. By mechanical processing disc-like matching layers are made.
  • An ultrasonic transducer is known in which a piezoceramic transducer element is connected to a matching layer of a thermoplastic elastomer, for example a polyurethane elastomer.
  • the WO01 / 08237 discloses an ultrasonic transducer which may have a matching layer of polyurethane, whereby bubbles may also be included in the matching layer. It is noted in this document that the acoustic impedance does not vary for different polyurethanes with Shore hardness in the range of 20A to 85A (ie soft elastic polyurethanes).
  • Object of the present invention is to provide an inexpensive to manufacture ultrasonic transducer with a sufficiently temperature-stable matching layer.
  • Object of the present invention is to provide an inexpensive to manufacture ultrasonic transducer with a sufficiently temperature-stable matching layer.
  • FIG. 1 schematically shows an ultrasonic transducer 1, also called transducers or transducers. It comprises as oscillating body a piezoceramic disk 3 metallized on both sides, which is glued coaxially to a cylindrical or disk-like matching layer 5 with the same or larger diameter.
  • the thickness d of the matching layer 5 is preferably dimensioned so that the sound extraction of the ultrasonic transducer 1 to the surrounding medium is maximum.
  • sound decoupling can be interpreted, for example, as sound energy emitted per unit of time into the front half-space or, alternatively, into a predeterminable solid angle.
  • the main resonant frequency of the ultrasonic transducer 1 and / or the composite is out Piezoceramic disc 3 and matching layer 5 in the order of magnitude of the radial resonance frequency of the free piezoceramic disc 3.
  • the thickness d of the matching layer 5 can thus be, for example, in a range from approximately 1 mm to approximately 5 mm.
  • the matching layer 5 can - as in FIG. 1 shown - be formed as a circular disc.
  • thermoset a material for the matching layer 5
  • a rigid polyurethane foam is used as a material for the matching layer 5.
  • the polyurethane or the polyurethane matrix is crosslinked and thus has at least partial properties of a thermoset.
  • thermoset a material that can have a high temperature stability.
  • temperature stability broadly means the structural and chemical resistance of the material. Up to a specified limit temperature no irreversible changes in the material condition may occur in this regard.
  • sensitivity stability in an ultrasonic transducer 1 can be defined so that the loss of sensitivity up to the limit temperature, for example, less than 50% (based on a reference sensitivity at Room temperature).
  • Sensitivity in this context is the voltage ratio of the received signal to the transmitted signal when the ultrasonic transducer 1 is driven by a transmitting burst and subsequently the associated echo reflected at a reference reflector is received again.
  • the transmission frequency is kept constant. In an alternative definition, the transmission frequency is optimized in each case so that the received echo signal is maximum.
  • Suitable rigid polyurethane foams are available, for example, under the name Obomodulan (R) from Obo-Werke GmbH, Germany.
  • a material having a density between about 400kg / m3 to about 900kg / m3 is used.
  • Particularly advantageous is the Obomodulan type 652HT with a density of about 650kg / m3.
  • the adjustment discs 5 can be made for example by mechanical processing of standard plates.
  • the high temperature stability of such materials can sometimes be up to 120 ° C and more.
  • the small change of various material parameters such as the thermal expansion coefficient and the modulus of elasticity as a function of temperature allow the production of temperature-stable ultrasonic sensors 1, which can be used up to temperatures of 70 ° C, 80 ° C, 100 ° C or in some cases.
  • the sensitivity loss based on the sensitivity at room temperature (20 ° C to 25 ° C) is less than 50%.
  • the high temperature stability also has a positive effect on the long-term stability (low aging) of the ultrasonic transducers 1.
  • the composite of piezoceramic disc 3 and matching layer 5 is, with the exception of a front-side radiating surface 8 within a can-like or pot-like transducer housing 9 in a Dämpfmaschine 7, for example, a sound-absorbing, soft polyurethane foam, embedded.
  • the converter housing 9 is preferably an at least partially metal-coated plastic housing or a metallic housing, which can be used as an electromagnetic shield for the piezoceramic disk 3.
  • the metallizations or electrodes of the piezoceramic disk 3 are connected, for example by means of bonded or soldered strands or cables with contact points on the transducer housing 9 (not shown).
  • connecting cables connected to the electrodes can also be led out of the converter housing 9 through openings on the rear side of the converter housing 9 (not shown).
  • the ultrasound transducer 1 or the matching layer 5 can be covered by a protective layer 11 at least in the region of the radiating surface 8, which prevents the penetration of water, steam or other chemicals into the matching layer 5.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an ultrasonic transducer 1, in which the entire front side and the side walls of the transducer housing 9 are coated with a homogeneous, thin protective layer 11.
  • Such protective layers 11 can be formed, for example, by painting or spraying on a suitable lacquer or a paint.
  • an impregnation of the matching layer 5 may be provided.
  • the thickness of the protective layer may be very thin depending on the design and material, so that the influence on the acoustic properties of the transducer 1 is minimal.
  • the thickness of the protective layer 11 may be, for example, in the range between a few micrometers to a few hundred micrometers.

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Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Ultraschallwandler mit einer akustischen Impedanzanpassung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ultraschallsensoren, die nach dem Puls-Echo-Prinzip arbeiten, eignen sich zur berührungslosen Erfassung von Objekten innerhalb eines Erfassungsbereichs. Ein Schallwandler bzw. Transducer erzeugt einen Burst bzw. ein kurzes Ultraschall-Wellenpaket. Dieses breitet sich entsprechend der Richtcharakteristik des Transducers in den Raum aus. Befindet sich ein Objekt innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors, wird in der Regel ein Teil der Schallwellen in Richtung des Transducers zurück reflektiert. Nach dem Aussenden des Ultraschallbursts wird der Transducer als Empfänger geschaltet und empfängt das am Objekt reflektierte Echosignal. Die Laufzeit bzw. die Dauer zwischen dem Aussenden des Bursts und dem Empfangen des Echos ist bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium (z.B. Luft oder Wasser) ein Mass für den Abstand des Objekts vom Sensor. Bei Bedarf kann die Temperatur des Ausbreitungsmediums erfasst und z.B. anhand einer Zuordnungstabelle ein Korrekturfaktor berechnet werden, welcher die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium kompensiert.
  • Bei alternativen Ausführungsformen können auch getrennte Sende- und Empfangswandler verwendet werden.
    Verbreitet werden zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallsignalen piezokeramische Wandler eingesetzt. Eine Anpassschicht dient als akustischer Impedanzwandler zwischen der schallharten Piezokeramikscheibe und dem liquiden oder gasförmigen Ausbreitungsmedium. Die Dicke der Anpassschicht ist so bemessen, dass bei einer Resonanzfrequenz des Schwingungssystems ein möglichst grosser Teil der Schallenergie an das umgebende Medium übertragen wird. Im Idealfall entspricht die Dicke der Anpassschicht etwa einem Viertel der Resonanz-Wellenlänge in der Anpassschicht. Bei Transducern mit derartigen Anpassschichten wird die Piezokeramikscheibe koaxial mit der Anpassschicht verklebt. Dieser Verbund wird z.B. mit einem dämpfenden bzw. Schall absorbierenden PU-Schaum derart umschäumt, dass nur die frontseitige Abstrahlflächeradial frei bleibt.
  • In der Praxis haben sich Anpassschichten aus einem Verbund aus einer Epoxid-Matrix mit Mikro-Glashohlkugeln durchgesetzt. Im Vergleich zu Anpassschichten aus thermoplastischen Kunststoffen, Elastomeren oder silikonartigen Materialien haben diese den Vorteil einer besseren Temperaturstabilität: Temperaturänderungen haben weniger Einfluss auf Parameter wie Resonanzfrequenz, Wirkungsgrad, Richtcharakteristik und dergleichen.
  • Nachteilig bei Epoxid-Glashohlkugel-Anpassschichten sind der hohe Preis und die zum Teil ungenügende Homogenität des Ausgangsmaterials. Dieses ist in der Regel in Block- oder Plattenform oder in Gestalt von Stangen mit unterschiedlichem Durchmesser erhältlich. Durch mechanische Bearbeitung werden daraus scheibenartige Anpassschichten gefertigt.
  • Aus der DE-U-202004002107 ist ein Ultraschallwandler bekannt, bei dem ein piezokeramisches Wandlerelement mit einer Anpassschicht aus einem thermoplastischen Elastomer, z.B. einem z.B. einem Polyurethan-Elastomer, verbunden ist.
  • Die WO01/08237 offenbart einen Ultraschallwandler, der eine Anpassschicht aus Polyurethan haben kann, wobei auch Bläschen in der Anpassschicht eingeschlossen sein können. In diesem Dokument wird darauf hingewiesen, dass die akustische Impedanz bei unterschiedlichen Polyurethanen mit Shore-Härten im Bereich von 20A bis 85A (also weichelastische Polyurethane) nicht variiert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstig herstellbaren Ultraschallwandler mit einer ausreichend temperaturstabilen Anpassschicht zu schaffen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstig herstellbaren Ultraschallwandler mit einer ausreichend temperaturstabilen Anpassschicht zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallwandler gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Beim erfindungsgemässen Ultraschallwandler umfasst die Anpassschicht aus einem Polyurethan-Hartschaum. Der Hartschaum kann als offenporiger oder geschlossenporiger Hartschaum ausgebildet sein. Alternativ kann der PU-Hartschaum eine mit Mikrohohlkugeln aus Glas oder Kunststoff gefüllte Matrix aus vernetztem Polyurethan umfassen. Solche Materialien sind als temperaturbeständige Hartschäume vor allem aus dem Modellbau bekannt. Im Handel sind Platten bzw. Blöcke mit unterschiedlichen Dichten (entsprechend der jeweiligen Befüllung bzw. der jeweiligen Ausbildung der Poren) erhältlich. Durch den hohen Vernetzungsgrad der Polyurethanmatrix ist dieser Werkstoff im Vergleich zu lediglich verketteten thermoplastischen Polyurethanen hart, leicht zu bearbeiten und temperaturstabil.
    Anhand einer beispielhaften Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt
    • Figur 1
    einen Längsschnitt durch einen Ultraschallwandler,
    Figur 2
    einen Längsschnitt durch einen Ultraschallwandler mit einer Schutzschicht.
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Ultraschallwandler 1, kurz auch Wandler oder Transducer genannt. Er umfasst als Schwingkörper eine beidseitig metallisierte Piezokeramikscheibe 3, welche koaxial mit einer zylinder-oder scheibenartigen Anpassschicht 5 mit gleichem oder grösserem Durchmesser verklebt ist. Die Dicke d der Anpassschicht 5 ist vorzugsweise so bemessen, dass die Schallauskopplung des Ultraschallwandlers 1 an das Umgebungsmedium maximal ist. Dabei kann der Begriff "Schallauskopplung" z.B. als pro Zeiteinheit in den vorderen Halbraum oder alternativ in einen vorgebbaren Raumwinkel abgestrahlte Schallenergie interpretiert werden. In der Regel liegt die Haupt-Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 1 und/oder des Verbundes aus Piezokeramikscheibe 3 und Anpassschicht 5 in der Grössenordnung der Radial-Resonanzfrequenz der freien Piezokeramikscheibe 3. Als Folge der Radialschwingung resultiert auch eine Dickenschwingung der Anpassschicht 5, welche für die Schallemission an die Umgebung verantwortlich ist. Je nach Resonanzfrequenz und Umgebungsmedium kann die Dicke d der Anpassschicht 5 also z.B. in einem Bereich von etwa 1mm bis etwa 5mm liegen. Die Anpassschicht 5 kann - wie in Figur 1 dargestellt - als kreisrunde Scheibe ausgebildet sein. Alternativ sind auch andere Formen möglich, z.B. rechteckige oder quadratische Platten oder Scheiben mit zusätzlichen Strukturen wie Absätzen, Ausnehmungen, Vertiefungen und dergleichen. Als Material für die Anpassschicht 5 wird ein Polyurethan-Hartschaum verwendet. Das Polyurethan bzw. die Polyurethanmatrix ist vernetzt und hat somit mindestens teilweise Eigenschaften eines Duroplasten. Insbesondere kann ein solches Material eine hohe Temperaturstabilität aufweisen. Der Begriff "Temperaturstabilität" bedeutet im weiteren Sinne die strukturelle und chemische Beständigkeit des Materials. Bis zu einer vorgegebenen Grenztemperatur dürfen diesbezüglich keine irreversiblen Änderungen der Materialbeschaffenheit auftreten. Im engeren Sinn kann der Begriff "Temperaturstabilität" bei einem Ultraschallwandler 1 so definiert werden, dass der Sensitivitätsverlust bis zur Grenztemperatur z.B. geringer als 50% ist (bezogen auf eine Referenzsensitivität bei Raumtemperatur). Als Sensitivität wird in diesem Zusammenhang das Spannungsverhältnis des Empfangssignals zum Sendesignal bezeichnet, wenn der Ultraschallwandler 1 mit einem Sendeburst angesteuert und anschliessend das zugehörige, an einem Referenzreflektor reflektierte Echo wieder empfangen wird. Die Sendefrequenz wird dabei konstant gehalten. Bei einer alternativen Definition wird die Sendefrequenz jeweils so optimiert, dass das empfangene Echosignal maximal ist.
    Geeignete Polyurethan-Hartschäume sind z.B. unter der Bezeichnung Obomodulan (R) von der Firma Obo-Werke GmbH, Deutschland, erhältlich. Vorzugsweise wird ein Werkstoff mit einer Dichte zwischen etwa 400kg/m3 bis etwa 900kg/m3 verwendet. Besonders vorteilhaft ist der Obomodulan-Typ 652HT mit einer Dichte von etwa 650kg/m3. Die Anpassscheiben 5 können z.B. durch mechanische Bearbeitung von Standardplatten hergestellt werden. Die hohe Temperaturstabilität solcher Werkstoffe kann zum Teil bis zu 120°C und mehr betragen. Die geringe Änderung diverser Materialparameter wie z.B. der Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Elastizitätsmodule in Abhängigkeit der Temperatur ermöglichen die Herstellung von temperaturstabilen Ultraschallsensoren 1, die bis zu Temperaturen von 70°C, 80°C, 100°C oder zum Teil auch darüber eingesetzt werden können. Dabei ist der Sensitivitätsverlust bezogen auf die Sensitivität bei Raumtemperatur (20°C bis 25°C) jeweils geringer als 50%.
  • Die hohe Temperaturstabilität wirkt sich auch positiv auf die Langzeitstabilität (geringe Alterung) der Ultraschallwandler 1 aus.
  • Der Verbund aus Piezokeramikscheibe 3 und Anpassschicht 5 ist mit Ausnahme einer frontseitigen Abstrahlfläche 8 innerhalb eines dosen- oder topfartigen Wandlergehäuses 9 in einen Dämpfkörper 7, beispielsweise einen Schall absorbierenden, weichen Polyurethanschaum, eingebettet. Das Wandlergehäuse 9 ist vorzugsweise ein mindestens teilweise metallbeschichtetes Kunststoffgehäuse oder ein metallisches Gehäuse, welches als elektromagnetische Abschirmung für die Piezokeramikscheibe 3 genutzt werden kann. Die Metallisierungen bzw. Elektroden der Piezokeramikscheibe 3 sind z.B. mittels gebondeter oder gelöteter Litzen oder Kabel mit Kontaktstellen am Wandlergehäuse 9 verbunden (nicht dargestellt). Alternativ können auch mit den Elektroden verbundene Anschlusskabel durch Öffnungen an der Rückseite des Wandlergehäuses 9 aus diesem herausgeführt sein (nicht dargestellt). Insbesondere bei offenporigen Hartschäumen können der Ultraschallwandler 1 oder die Anpassschicht 5 mindestens im Bereich der Abstrahlfläche 8 von einer Schutzschicht 11 überzogen sein, welche das Eindringen von Wasser, Dampf oder anderen Chemikalien in die Anpassschicht 5 verhindert. Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ultraschallwandler 1, bei dem die gesamte Frontseite und die Seitenwände des Wandlergehäuses 9 mit einer homogenen, dünnen Schutzschicht 11 überzogen sind. Solche Schutzschichten 11 können z.B. durch Anstreichen oder Aufsprühen eines geeigneten Lacks oder einer Farbe ausgebildet werden. Alternativ kann auch eine Imprägnierung der Anpassschicht 5 vorgesehen sein. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Bedampfung mit einer dünnen Schicht aus Parylene oder einem anderen inerten Kunststoff. Die Dicke der Schutzschicht kann je nach Ausführung und Material sehr dünn sein, sodass der Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Wandlers 1 minimal ist. Die Dicke der Schutzschicht 11 kann z.B. im Bereich zwischen einigen wenigen Mikrometern bis einigen hundert Mikrometern liegen.

Claims (6)

  1. Ultraschallwandler (1) mit einer akustischen Impedanzanpassung zur Optimierung der Auskopplung von Schwingungen einer Piezokeramikscheibe (3) an ein Umgeburigsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassschicht (5) aus einem vernetzten Polyurethan-Hartschaum mit der Piezokeramikscheibe (3) verbunden ist.
  2. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartschaum mit Hohlkugeln aus Glas oder Kunststoff oder mit einem andern leichten Füllstoff gefüllt ist.
  3. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschicht eine Dichte im Bereich von 400 kg/m3 bis 900kg/m3 aufweist.
  4. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschicht (5) bis mindestens 120°C temperaturstabil ist.
  5. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensitivitätsänderung innerhalb eines Temperaturbereichs von Raumtemperatur bis zu einer Grenztemperatur von 70°C geringer als 50% ist.
  6. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschicht (5) oder der Ultraschallwandler (1) selbst zumindest im Bereich der Schallabstrahlfläche (8) mit einer Schutzschicht überzogen sind.
EP20070405233 2006-10-09 2007-08-13 Ultraschallwandler mit akustischer Impedanzanpassung Active EP1911530B1 (de)

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