WO1998004361A1 - Ultraschallwandler mit scheibenförmigen viertelwellenlängen-anpassungskörper - Google Patents

Ultraschallwandler mit scheibenförmigen viertelwellenlängen-anpassungskörper Download PDF

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    • 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 with a disk-shaped piezoceramic body and with a disk-shaped ⁇ / 4 adaptation body.
  • a generic ultrasonic transducer is already known for use in ultrasonic sensors or proximity switches. It has a relatively narrow sound lobe characteristic and at the same time has relatively small side lobe amplitudes.
  • the ⁇ / 4 adapter body is used to transmit and receive ultrasonic waves in a gaseous propagation medium, preferably for use in ultrasonic proximity switches.
  • an ultrasonic transducer with a piezoceramic body and an adaptation body in which the surface of the adaptation body facing away from the piezoceramic body has a slightly different surface area in relation to the base surface of the piezoceramic body and to the surface of the adaptation body facing it.
  • the side line of the adapter body is diverging or converging with a straight, concave or convex shape.
  • the resulting sound lobe characteristic with considerable side lobe amplitudes of approx. -19 dB compared to the main lobe amplitude is suitable for the use of the ultrasonic transducer, e.g. insufficient in confined spaces and in the presence of side objects.
  • EP 0 655 156 B1 discloses an ultrasound transducer with an adaptation body with a cylindrical outer surface, which has an incision on the outer surface and / or on the surface facing the piezoceramic body. This Guidance enables directional sharp sound lobes with small side lobe amplitudes of less than -30 dB.
  • the invention has for its object to improve an ultrasonic transducer of the type mentioned above in that it has narrow main lobe opening angles with small side lobe amplitudes.
  • the object is achieved in that the lateral circumferential surface of the ⁇ / 4 adaptation body is designed as a step profile.
  • FIG. 1 shows the sectional view of an embodiment of an ultrasonic transducer 1 according to the invention with a cylindrical, disk-shaped piezoceramic body 2 and a disk-shaped adapter body 3, for example glued to it.
  • the lateral peripheral surface of the adapter body 3 is designed here as a simple, rectangular step profile.
  • the upper and lower metallization surfaces of the piezoceramic body 2 as well as the metallization surface facing the adaptation body 3, which make contact, for example, by means of a thin contact foil made of metal or of a metal-plastic composite material inserted into the adhesive layer is not shown.
  • the advantageous configuration of the lateral step contour results in favorable forms of vibration of the outward-facing, sound-radiating surface of the adapter body 3, which lead to directional sharp sound lobes with very small side lobe amplitudes.
  • the diameter of the disk-shaped piezoceramic body 2 and the diameter of the base surface of the adaptation body 3 facing the piezoceramic body 2 are 23 mm.
  • the diameter of the facing outer surface of the adapter body 3 is 28 mm
  • the total height of the adapter body 3 is 6.5 mm
  • the height of the protruding part of the adapter body with the diameter of 28 mm is 2.4 mm.
  • the adaptation body 3 consists of a robust, syntactic foam made of an epoxy-glass hollow sphere mixture.
  • the exemplary ultrasonic transducer 1 has a resonant operating frequency of approximately 80 kHz with a -3 dB width of the sound lobe opening angle of approximately 11 ° and very small side lobe amplitudes of approximately -30 dB.
  • the ultrasonic transducer 1 shows a further embodiment of the ultrasonic transducer 1 according to the invention with a step profile, the surfaces of which are not at right angles to one another. Further possible embodiments result if the step profile is composed of two or more rectangular and / or non-rectangular steps. The thereby increasing diameter of the sound-emitting surface of the adaptation body 3 leads to a narrower sound beam opening angle.

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Abstract

Es soll ein Ultraschallwandler mit schmalem Hauptkeulenöffnungswinkel bei gleichzeitig kleinen Nebenkeulenamplituden geschaffen werden. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler (1) weist einen scheibenförmigen μ/4-Anpassungskörper (3) auf, dessen Umfangsfläche als Stufenprofil ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
ULTRASCHALLWANDLER MIT SCHEIBENFÖRMIGEN VIERTELWELLENLÄNGEN-ANPASSUNGSKÖRPER
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-Charakteri- stik auf und hat zugleich verhältnismäßig kleine Nebenkeulenamplituden. Der λ/4-Anpassungskörper dient zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallwellen in ein gasförmiges Ausbrei- tungsmedium, 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 Piezokeramik- körpers und zur diesem zugewandten Fläche des Anpassungskörpers geringfügig unterschiedliche Flächengröße aufweist. Die Seitenlinie des Anpaεsungskörpers 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 Vorhan- densein seitlicher Störobjekte, unzureichend.
In der EP 0 655 156 Bl ist ein Ultraschallwandler mit einem Anpassungskörper mit zylindrischer Mantelfläche offenbart, der an der Mantelfläche und/oder an der dem Piezokeramikkör- per zugewandten Fläche einen Einschnitt aufweist. Diese Aus- führung ermöglicht richtscharfe Schallkeulen mit kleinen Nebenkeulenamplituden von weniger als -30 dB.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- wandler der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß er schmale Hauptkeulenöffnungswinkel bei gleichzeitig kleinen Nebenkeulenamplituden aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die seitliche Umfangs- fläche 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 Stufen- profil und
FIG 2 einen Ultraschallwandler mit nicht rechteckigem Stufenprofil .
FIG 1 zeigt das Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsfor eines Ultraschallwandlers 1 mit einem zylindrischen, scheibenförmigen Piezokeramikkörper 2 und einem mit diesem z.B. verklebten scheibenförmigen Anpassungskörper 3. Die seitliche Umfangsfl che 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 ab- gewandten, äußeren Oberfläche des Anpassungskörperε 3 beträgt 28 mm, die Gesamthöhe des Anpassungskörperε 3 beträgt 6,5 mm, und die Höhe des überstehenden Teils des Anpassungskörperε mit dem Durchmesser von 28 mm beträgt 2,4 mm. Der Anpasεungs- körper 3 beεteht auε einem robuεten εyntaktiεchen Schaum aus einem Epoxid-Glashohlkugel-Gemisch. Der beispielhafte Ultraschallwandler 1 hat eine resonante Arbeitεfreguenz 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 Auεführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlerε 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 schallabεtrahlenden 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 Ausfüh- rungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen, Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler (1) mit einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper (2) und mit einem scheibenförmigen λ/4-Anpas- sungskörper ( 3 ) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die seitliche Umfangsfl che deε λ/4-Anpaεεungεkörperε (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 Piezokeramik- körpers (2 } .
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dem Piezokeramikkörper (2) zu- gewandte 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-Anpaε- sungskörpers (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.
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