WO2001043889A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallwellen - Google Patents

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WO2001043889A1
WO2001043889A1 PCT/DE2000/004355 DE0004355W WO0143889A1 WO 2001043889 A1 WO2001043889 A1 WO 2001043889A1 DE 0004355 W DE0004355 W DE 0004355W WO 0143889 A1 WO0143889 A1 WO 0143889A1
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WO
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electrode
piezoceramic disk
conductive layer
piezoceramic
transformer
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PCT/DE2000/004355
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English (en)
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Inventor
Karl-Heinz Richter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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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
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • 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
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Definitions

  • the invention relates to a device for generating ultrasonic waves according to the preamble of the main claim.
  • Ultrasound transducers are already known which function as ultrasound transmitters and receivers and in which a vibrating membrane is excited by means of a piezoceramic disk.
  • the piezoceramic disc is used to convert electrical energy into mechanical energy and vice versa.
  • the piezoceramic disk has a flat electrode on both the top and bottom. If a sufficiently high electrical voltage is now applied to the two electrodes, the disk deforms as a result of the piezo effect. If the piezoceramic disk is attached to a membrane, this membrane is deflected accordingly.
  • the membrane is deflected as a result of incoming sound waves, an electrical voltage can be tapped off via the electrodes.
  • the membrane and the piezoceramic disk are glued flat. This means that the side of the piezoceramic disk facing the membrane cannot be electrically contacted in a simple manner.
  • One solution to the problem of electrical contacting is a conductive one Connection between the membrane and the electrode facing the membrane is known. However, this requires the use of a conductive adhesive that is more expensive than conventional adhesive.
  • contacting is necessary, for example by means of a compensation capacitor with a negative temperature coefficient, to compensate for a strong, positive temperature coefficient of the capacitance of the piezo element.
  • a compensation capacitor with a negative temperature coefficient for example, it may be necessary to additionally provide an inductance compensation on a transformer which is arranged between a voltage source and the piezo element in order to generate a required high voltage.
  • the device according to the invention with the features of the main claim has the advantage that a one-sided contacting of the piezoceramic disk is made possible without major manufacturing effort. Contacting a membrane, in particular installation in a cup-shaped ultrasonic transducer housing, is thereby facilitated. Opposite a piezoceramic disc, the one
  • the area usable for the piezo effect can be increased.
  • the performance of a piezo element can be increased for a given transmission area.
  • Umffy ist a simplified structuring of the electrode surface possible.
  • the capacitance of the piezoceramic disk is reduced to a quarter by the arrangement according to the invention. This increases the bandwidth of the resonant circuit, which is based on the capacitance of the
  • Piezoceramic disc and the inductance of the transformer and loss resistances This increases the frequency bandwidth in which the resonance becomes large enough that the piezoceramic disk can work as an ultrasonic transducer. Due to the higher bandwidth, the device for generating ultrasonic waves is less sensitive to temperature fluctuations, which can influence the capacitance of the piezoceramic disk. This makes it possible to dispense with a compensation capacitor on the one hand and with inductance matching on the other hand. In addition, with a wide bandwidth, the settling and decay times of the sound pulse are shortened, e.g. with a distance measurement. As a result, the distance between two measurements can be reduced and the measuring range can be extended to shorter distances, since the decay time of the
  • the measures listed in the subclaims enable advantageous developments and improvements of the device for generating ultrasound waves specified in the main claim. It is particularly advantageous to carry out the electrical polarization in opposite directions in the first and the second area of the piezoceramic disk, since this enables a rectified deflection of both areas of the piezoceramic disk.
  • the vibration membrane is the conductive layer, since in this way the coating of one side of the piezoceramic disk with a conductive layer can be dispensed with.
  • FIG. 1 a shows a top view of the top of the piezoceramic disk according to the invention
  • FIG. 1 b shows a side view
  • FIG. 1 c shows a top view of the bottom
  • FIG. 2 shows a first circuit arrangement for operating an ultrasonic transducer with a piezoceramic disk according to the invention
  • FIG. 3 shows a second circuit arrangement for operation of an ultrasonic transducer according to the invention
  • FIG. 4 shows a side view of a section through an ultrasonic transducer with a piezoceramic disk according to the invention.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c A piezoceramic disk 1 is shown in FIGS. 1a, 1b and 1c.
  • the piezoceramic disk 1 is in a top view, in FIG. 1 b in a side view and in FIG. 1c in a top view from the direction opposite the top view in FIG.
  • a first electrode 2 and a second electrode 3 are applied to the piezoceramic disk 1.
  • the first and the second electrodes 2, 3 do not completely cover the piezoceramic disk, but to the edge of the piezoceramic disk 1 there is a first annular edge region 7, by which the surface of the first and second electrodes 2, 3 is separated from the edge of the piezoceramic disk. Between the first
  • the piezoceramic disk is separated by a broken line 6 in a region of first electrode 2 and in a region of second electrode 3.
  • the first and second electrodes 2, 3 are applied, for example, to the piezoceramic disk in a metallic vapor deposition process and preferably consist of silver or nickel.
  • the electrodes can be electrically contacted by an electrical lead, for example by soldering or by gluing.
  • the piezoceramic disc 1 preferably consists of barium titanate, lead titanate or lead zirconate titanate.
  • the piezoceramic disk has a thickness in a range from 0.1 mm to 0.5 mm.
  • a side face 10 of the piezoceramic disk 1 can be seen in the side view, to which the first electrode 2 and the second electrode 3 are applied.
  • the same reference symbols also denote the same elements.
  • the first annular edge region 7 and the separation region 5 can also be seen.
  • the piezoceramic disk 1 also has a second side surface 20, which lies opposite the first side surface 10.
  • a conductive layer 4 is applied to the second side surface 20.
  • the conductive layer 4 likewise does not completely cover the second side surface 20, but there is a second annular edge region 8 in which the piezoceramic disk 1 is not covered.
  • the conductive layer 4 is preferably applied in the same way and preferably consists of the same material from which the first electrode 2 or the second electrode 3 is made.
  • the piezoceramic disk has a first region 11, which comprises at least the first electrode 2, and a second region 12, which comprises at least the second electrode 3. A boundary between the first region 11 and the second region 12 runs in the separating region 5, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1b along the dashed line 6.
  • the piezoceramic disk 1 has an electrical polarization, that of the electrical polarization in the second region 12 is opposite. For example, the direction of polarization of the electrical polarization points in the first region from the first electrode 2 to the conductive layer 4 and in the second region from the electrical layer 4 to the second electrode 3.
  • the ring-shaped edge regions 7, 8 on the first and the second side surface 10, 20 serve to avoid electrical flashover between the first and the second electrode 2, 3 on the one hand and the conductive layer 4 on the other hand. In a not shown in the drawing In the exemplary embodiment, however, it is also possible to dispense with the design of edge regions and to extend the first and second electrodes 2, 3 or the conductive layer to the edge of the first and second side surfaces 10, 20.
  • the piezoceramic disk 1 In addition to a round design of the piezoceramic disk 1, other embodiments are also possible, e.g. an oval version, but is not shown in the drawing.
  • the shape of the piezoceramic disk 1 can be adapted to the shape of the membrane on which the piezoceramic disk 1 is preferred
  • Embodiment is attached. It is also possible to operate the piezoceramic disk without arranging it on a vibration membrane.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement for the operation of a device according to the invention for generating ultrasonic waves.
  • a converter pot 30 which is shown in a cross section, the
  • Piezoceramic disk 1 with the first electrode 2, the second electrode 3 and the conductive layer 4 is attached to a bottom 32 of the transducer pot 30.
  • the transducer pot also has a wall 31 which is thickened relative to the bottom 32.
  • the first electrode 2 is connected to a first connection 42 of a transformer 40 on the secondary side.
  • the second electrode 3 is connected to a first connection 42 of the transformer 40 on the secondary side.
  • a center tap 44 of the transformer 40 is connected to ground 45.
  • a sixth connection 46 of the transformer is connected to a first connection 51 of an AC voltage source 50.
  • a second connection 41 on the primary side of the transformer 40 is connected to a second connection 52 of the AC voltage source 50.
  • a voltage measuring device 60 is included for evaluation a first connection 62 is connected to the second electrode 3 or the first secondary connection 42 of the transformer 40.
  • a second connection 61 of the voltage measuring device 60 is connected to ground 45. In an exemplary embodiment not shown in the figure, it is also possible to connect the second connection 61 to the second connection 43 on the secondary side, as a result of which a measurement which is independent of a ground potential is possible.
  • An AC voltage generated by the AC voltage source 50 is transformed into a higher voltage via the transformer 40.
  • the higher voltage is in a range from 50 V to 100 V.
  • This higher voltage is applied between the first electrode 2 and the second electrode 3.
  • the first electrode 2 forms a capacitance in the form of a plate capacitor with the second conductive layer 4 due to the separation by the piezoceramic disk 1.
  • the plate area of the capacitance is approximately the same size when the first electrode 2 is arranged relative to the conductive layer 4
  • the capacitance of an arrangement of the second electrode 3 with respect to the conductive layer 4 is also half as large as with a capacitance at one State-of-the-art design with electrodes of the same size that almost completely cover the piezoceramic disc.
  • the capacitance between the first electrode 2 and the conductive layer 4 and between the second electrode 3 and the conductive layer 4 is connected to one another via the conductive layer 4; the two capacitors are connected in series.
  • the series connection of the two capacitors results in a capacitance of the arrangement according to the invention of approximately a quarter of the capacitance in a conventional arrangement with electrodes of almost the same size on both sides.
  • the electric field generated by the charging of the capacitances acts on the piezoceramic disk 1 between the first and second electrodes 2, 3 and the conductive layer and sets them in mechanical vibrations. These vibrations are passed on to the floor 32, which functions as a vibration membrane and emits ultrasonic waves.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention for generating ultrasound waves.
  • the device shown in Figure 3 differs from the device described in Figure 2 in that the second
  • the bottom 32 of the converter pot 30 serves as a conductive layer.
  • the transducer pot 30 is made of a conductive material, e.g. aluminum.
  • the piezoceramic disk 1 is connected to the transducer pot with an adhesive layer 70.
  • the adhesive layer 70 is to be chosen as thin as possible in order to make the capacity of the adhesive layer 70 as large as possible. Because it is a series connection of capacities, the reciprocal of the capacity has to be added twice. If the adhesive layer 70 has a very large capacity, its capacity for the series connection of the two capacitances between the first electrode 2 and the bottom 32 and the bottom 32 and the second electrode 3 can be neglected.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention for generating ultrasound waves, which is suitable for use in a motor vehicle, in particular for measuring distances to obstacles.
  • the piezoceramic disk 1 is on a bottom 81 of a transducer pot 80, a wall 82 being arranged on the transducer pot.
  • the bottom 81 is the vibration membrane of the converter pot.
  • the wall 82 of the converter cup 80 which is designed in the form of a ring, is provided with a thickening 86 with which the wall 82 engages in a decoupling ring 83 which is fastened, for example, in a bumper of a motor vehicle.
  • An electrical connection 88 is attached to the piezoceramic disk via a contact surface 87.
  • the piezoceramic disk 1 can be designed according to FIG. 2 or according to FIG. 3.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen vorgeschlagen, bei der auf einer Seite der Piezokeramikscheibe (1) zwei Elektroden (2, 3) getrennt flächig aufgebracht sind und diese beiden Elektroden einer leitfähigen Schicht (4) auf der anderen Seite der Piezokeramikscheibe gegenüberliegen.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon Ultraschallwandler bekannt, die als Ultraschallsender und -Empfänger fungieren, und bei denen die Anregung einer schwingenden Membran mittels einer Piezokeramikscheibe erfolgt. Unter Ausnutzung des Piezoeffektes dient die Piezokeramikscheibe dazu, elektrische Energie in mechanische zu wandeln und umgekehrt. Hierzu besitzt die Piezokeramikscheibe sowohl auf der Ober-, als auch auf der Unterseite jeweils eine flächig angeordnete Elektrode. Wird nun an die beiden Elektroden eine ausreichend hohe elektrische Spannung angelegt, so verformt sich die Scheibe infolge des Piezoeffektes . Wird die Piezokeramikscheibe an einer Membran befestigt, so wird diese Membran entsprechend ausgelenkt. Wird andererseits die Membran infolge eintreffender Schallwellen ausgelenkt, so kann über die Elektroden eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Die Membran und die Piezokeramikscheibe sind hierzu flächig verklebt . Damit kann die der Membran zuweisende Seite der Piezokeramikscheibe nicht auf einfache Weise elektrisch kontaktiert werden. Als Lösung des Problems der elektrischen Kontaktierung ist zum einen eine leitfähige Verbindung zwischen der Membran und der der Membran zuweisenden Elektrode bekannt. Hierzu ist es jedoch erforderlich, einen leitfähigen Klebstoff zu verwenden, der teurer ist, als herkömmlicher Klebstoff. Zum anderen ist es bekannt, die der Membran zuweisende Elektrode zu verlängern und auf die von der Membran abweisende Seite der Piezokeramikscheibe zu führen, so daß beide Elektroden von einer Seite der Piezokeramikscheibe aus kontaktierbar sind. Hierfür ist jedoch bei der Fertigung der Piezokeramikscheibe ein hoher Fertigungsaufwand zu betreiben. Bei beiden
Kontaktierungen ist es jedoch erforderlich, zum Beispiel durch einen Kompensationskondensator mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, einen starken, positiven Temperaturkoeffizienten der Kapazität des Piezoelementes auszugleichen. Aus Gründen der Toleranz bei der Kapazität des Piezoelementes oder des Kompensationskondensators kann es erforderlich sein, zusätzlich einen Induktivitätsabgleich an einem Transformator vorzusehen, der zwischen einer Spannungsquelle und dem Piezoelement zur Erzeugung einer erforderlichen, hohen Spannung angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ohne größeren Fertigungsaufwand eine einseitige Kontaktierung der Piezokeramikscheibe ermöglicht wird. Eine Kontaktierung einer Membran, insbesondere ein Einbau in ein topfförmiges Ultraschallwandlergehäuse, wird hierdurch erleichtert. Gegenüber einer Piezokeramikscheibe, die eine
Umkontaktierung für den Anschluß einer zweiten Elektrode aufweist, kann die für den Piezoeffekt nutzbare Fläche vergrößert werden. Hierdurch kann die Leistung eines Piezoelementes bei einer vorgegebenen Sendefläche erhöht werden. Ferner ist durch den Verzicht auf die Umkontaktierung eine vereinfachte Strukturierung der Elektrodenfläche möglich. Weiterhin wird die Kapazität der Piezokeramikscheibe durch die erfindungsgemäße Anordnung auf ein Viertel reduziert. Hierdurch wird die Bandbreite des Schwingkreises erhöht, der aus der Kapazität der
Piezokeramikscheibe und der Induktivität des Transformators und Verlustwiderständen besteht. Die Frequenzbandbreite, in der die Resonanz groß genug wird, daß die Piezokeramikscheibe als Ultraschallwandler arbeiten kann, wird hierdurch erhöht. Durch die höhere Bandbreite ist die Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen, welche die Kapazität der Piezokeramikscheibe beeinflussen können. Hierdurch kann einerseits auf einen Kompensationskondensator und andererseits auf einen Induktivitätsabgleich verzichtet werden. Außerdem verkürzen sich bei großer Bandbreite die Ein- und Ausschwingzeiten des Schallimpulses z.B. bei einer Abstandsmessung. Hierdurch kann der Abstand zwischen zwei Messungen reduziert werden und der Meßbereich zu kürzeren Entfernungen erweitert werden, da die Abklingdauer der
Schwingung der Membran nach dem Senden den Meßbereich hin zu kürzeren Entfernungen begrenzt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die elektrische Polarisation in dem ersten und dem zweiten Bereich der Piezokeramikscheibe entgegengesetzt auszuführen, da hierdurch eine gleichgerichtete Auslenkung beider Bereiche der Piezokeramikscheibe ermöglicht wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den sekundärseitigen Mittelabgriff eines Transformators, mit dem die für den Betrieb der Piezokeramikscheibe erforderliche hohe Spannung erzeugt wird, auf Masse zu legen, da auf diese Weise eine symmetrische Ansteuerung der beiden Elektroden erreicht wird.
Ferner ist es vorteilhaft, die an der zweiten Seitenfläche angeordnete, leitfähige Schicht mit der Schwingungsmembran zu verkleben, da hierdurch auf einfache Weise eine Übertragung der Schwingungsenergie von der Piezokeramikscheibe zu der Schwingungsmembran möglich ist.
Ferner ist es auch vorteilhaft, daß die Schwingungsmembran die leitfähige Schicht ist, da auf diese Weise auf die Beschichtung einer Seite der Piezokeramikscheibe mit einer leitfähige Schicht verzichtet werden kann.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figur la eine Aufsicht auf die Oberseite der erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe, die Figur lb eine Seitenansicht, die Figur lc eine Aufsicht auf die Unterseite, Figur 2 eine erste Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Ultraschallwandlers mit einer erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe, Figur 3 eine zweite Schaltungsanordnung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers und Figur 4 eine Seitenansicht eines Schnittes durch einen Ultraschallwandler mit einer erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe .
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den Figuren la, lb und lc ist eine Piezokeramikscheibe 1 dargestellt. In der Figur la ist die Piezokeramikscheibe 1 in einer Aufsicht, in der Figur lb in einer Seitenansicht und in der Figur lc in einer Aufsicht aus der der Aufsicht in der Figur la gegenüberliegenden Richtung dargestellt. Wie in der Figur la dargestellt, ist auf die Piezokeramikscheibe 1 eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 auf ebracht. Die erste und die zweite Elektrode 2, 3 bedecken die Piezokeramikscheibe nicht vollständig, sondern zu dem Rand der Piezokeramikscheibe 1 besteht ein erster ringförmiger Randbereich 7, durch den die Fläche der ersten und der zweiten Elektrode 2, 3 von dem Rand der Piezokeramikscheibe getrennt wird. Zwischen der ersten
Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 besteht ferner ein Trennbereich 5. Durch eine gestrichelte Linie 6 ist die Piezokeramikscheibe in einem Bereich der ersten Elektrode 2 und in einem Bereich der zweiten Elektrode 3 getrennt. Die erste und zweite Elektrode 2,3 sind zum Beispiel in einem metallischen Aufdampfverfahren auf die Piezokeramikscheibe aufgebracht und bestehen vorzugsweise aus Silber oder Nickel . Die Elektroden sind durch eine elektrische Zuleitung zum Beispiel durch Löten oder durch Kleben elektrisch kontaktierbar . Die Piezokeramischeibe 1 besteht vorzugsweise aus Barium-Titanat , Blei-Titanat oder aus Blei-Zirkonat- Titanat . Die Piezokeramikscheibe hat in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm.
In der Figur lb ist in der Seitenansicht eine erste Seitenfläche 10 der Piezokeramikscheibe 1 erkennbar, auf welche die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 aufgebracht sind. Hier und im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleiche Elemente. Ferner ist auch der erste ringförmige Randbereich 7 sowie der Trennbereich 5 erkennbar. Die Piezokeramikscheibe 1 weist ferner eine zweite Seitenfläche 20 auf, die der ersten Seitenfläche 10 gegenüberliegt. Auf der zweiten Seitenfläche 20 ist eine leitfähige Schicht 4 aufgebracht. Die leitfähige Schicht 4 bedeckt die zweite Seitenfläche 20 ebenfalls nicht vollständig, sondern es besteht ein zweiter ringförmiger Randbereich 8, in dem die Piezokeramikscheibe 1 nicht bedeckt ist. Die leitfähige Schicht 4 wird vorzugsweise in der gleichen Weise aufgetragen und besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material, aus dem die erste Elektrode 2 beziehungsweise die zweite Elektrode 3 besteht. Die Piezokeramikscheibe weist einen ersten Bereich 11, der zumindest die erste Elektrode 2 umfaßt, und einen zweiten Bereich 12 auf, der zumindest die zweite Elektrode 3 umfaßt. Eine Grenze zwischen dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 verläuft in dem Trennbereich 5, in dem in der Figur lb dargestellten Ausführungsbeispiel entlang der gestrichelten Linie 6. In dem ersten Bereich 11 weist die Piezokeramikscheibe 1 eine elektrische Polarisierung auf, die der elektrischen Polarisierung in dem zweiten Bereich 12 entgegengesetzt ist. Z.B. weist die Polarisationsrichtung der elektrischen Polarisierung in dem ersten Bereich von der ersten Elektrode 2 zu der leitfähigen Schicht 4 und in dem zweiten Bereich von der elektrischen Schicht 4 zu der zweiten Elektrode 3. Hierdurch wird erreicht, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit einem entgegengesetzten Vorzeichen zwischen der ersten Elektrode 2 und der leitfähigen Schicht 4 sowie der zweiten Elektrode 3 und der leitfähigen Schicht 4 eine mechanische Auslenkung der Piezokeramikscheibe 1 in eine Richtung erfolgt. In der Figur lc ist die leitfähige Schicht 4 auf der Piezokeramikscheibe angeordnet dargestellt. Ferner ist der zweite ringförmige Randbereich 8 sichtbar.
Die ringförmigen Randbereiche 7, 8 auf der ersten bzw. der zweiten Seitenfläche 10, 20 dienen dazu, elektrische Überschlage zwischen der ersten bzw. der zweiten Elektrode 2, 3 einerseits und der leitfähigen Schicht 4 andererseits zu vermeiden. In einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich auf die Ausgestaltung von Randbereichen zu verzichten und die erste und zweite Elektrode 2, 3 oder die leitfähige Schicht bis zu dem Rand der ersten bzw. der zweiten Seitenfläche 10, 20 auszudehnen.
Neben einer runden Ausführung der Piezokeramikscheibe 1 sind auch andere Ausführungsformen möglich, z.B. eine ovale Ausführung, die jedoch nicht in der Zeichnung dargestellt ist. Die Form der Piezokeramikscheibe 1 kann dabei an die Form der Membran angepaßt werden, auf der die Piezokeramikscheibe 1 in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel befestigt wird. Es ist auch ein Betrieb der Piezokeramikscheibe möglich, ohne diese an einer Schwingungsmembran anzuordnen.
In der Figur 2 ist eine Schaltungsanordnung für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen dargestellt. An einem Wandlertopf 30, der in einem Querschnitt dargestellt ist, ist die
Piezokeramikscheibe 1 mit der ersten Elektrode 2, der zweiten Elektrode 3 und der leitfähigen Schicht 4 an einem Boden 32 des Wandlertopfes 30 befestigt. Der Wandlertopf verfügt ferner über eine Wandung 31, die gegenüber dem Boden 32 verdickt ausgeführt ist. Die erste Elektrode 2 ist mit einem ersten sekundärseitigen Anschluß 42 eines Transformators 40 verbunden. Die zweite Elektrode 3 ist mit einem ersten sekundärseitigen Anschluß 42 des Transformators 40 verbunden. Ein Mittelabgriff 44 des Transformators 40 ist mit Masse 45 verbunden. Ein erster primärseitiger Anschluß
46 des Transformators ist mit einem ersten Anschluß 51 einer Wechselspannungsquelle 50 verbunden. Ein zweiter primärseitiger Anschluß 41 des Transformators 40 ist mit einem zweiten Anschluß 52 der Wechselspannungsquelle 50 verbunden. Zur Auswertung ist ein Spannungsmeßgerät 60 mit einem ersten Anschluß 62 an die zweite Elektrode 3 bzw. den ersten sekundärseitigen Anschluß 42 des Transformators 40 angeschlossen. Ein zweiter Anschluß 61 des Spannungsmeßgerätes 60 ist an Masse 45 angeschlossen. In einem in der Figur nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den zweiten Anschluß 61 an den zweiten sekundärseitigen Anschluß 43 anzuschließen, wodurch eine von einem Massepotential unabhängige Messung möglich ist.
Weitere Ansteuerungs- bzw. AuswertungsSchaltungen, zum Beispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in einer Einrichtung zur Ermittlung eines Abstandes eines Fahrzeugs zu einem Hindernis, sind in der Figur 2 nicht dargestellt.
Eine von der Wechselspannungsquelle 50 erzeugte Wechselspannung wird über den Transformator 40 in eine höhere Spannung transformiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die höhere Spannung in einem Bereich von 50 V bis 100 V. Diese höhere Spannung wird zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angelegt. Die erste Elektrode 2 bildet mit der zweiten leitfähigen Schicht 4 durch die Trennung durch die Piezokeramikscheibe 1 eine Kapazität in der Form eines Plattenkondensators. Gegenüber einer Ausführung nach dem Stand der Technik, bei der auf beiden Seiten der Piezokeramikscheibe ungefähr gleich große Elektroden angeordnet sind, ist die Plattenfläche der Kapazität bei einer Anordnung der ersten Elektrode 2 gegenüber der leitfähigen Schicht 4 bei einer ungefähr gleich großen
Ausführung der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 sowie einer Vernachlässigung von Randfeldstreuungen ungefähr halb so groß. Ebenfalls ist die Kapazität einer Anordnung der zweiten Elektrode 3 gegenüber der leitfähigen Schicht 4 halb so groß gegenüber einer Kapazität bei einer Ausführung nach dem Stand der Technik mit gleich großen, die Piezokeramikscheibe nahezu vollständig bedeckenden Elektroden. Über die leitfähige Schicht 4 ist die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 2 und der leitfähigen Schicht 4 sowie zwischen der zweiten Elektrode 3 und der leitfähigen Schicht 4 miteinander verbunden; es ist eine Reihenschaltung der beiden Kapazitäten realisiert. Durch die Reihenschaltung der beiden Kapazitäten ergibt sich eine Kapazität der erfindungsgemäßen Anordnung von ungefähr einem Viertel der Kapazität bei einer herkömmlichen Anordnung mit nahezu gleich großen, beidseitigen Elektroden.
Das durch die Aufladung der Kapazitäten erzeugte elektrische Feld wirkt auf die Piezokeramikscheibe 1 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 2, 3 und der leitfähigen Schicht und versetzt diese in mechanische Schwingungen. Diese Schwingungen werden an den Boden 32 weitergegeben, der als Schwingungsmembran fungiert und Ultraschallwellen aussendet.
Wird durch die Wechselspannungsquelle 50 keine Spannung angelegt, sondern wird der Boden 32 des Wandlertopfes 30 durch eintreffende Schallwellen zu einer Schwingung angeregt, so wird diese Schwingungsenergie an die Piezokeramikscheibe 1 übertragen und durch den Piezoeffekt dort in eine elektrische Spannung umgewandelt, die zu dem Spannungsmeßgerät 60 geleitet wird. Hier steht dieser Spannungswert einer Auswertungsschaltung zur Verfügung, die in der Figur 2 nicht eingezeichnet ist. Die Verwendung des Wandlertopfes 30 ermöglicht die einfache Montage z.B. an einem Kraftfahrzeug zur Abstandsmessung. Die verdickt ausgeführte Wandung 31 dient dabei der Schwingungsentkopplung von Schwingungen des Bodens 32 gegenüber einer Halterung des Wandlertopfes 30. In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen dargestellt. Die in der Figur 3 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der zu der Figur 2 beschriebenen Vorrichtung dadurch, daß auf die zweite
Seitenfläche 20 der Piezokeramikscheibe 1 keine zusätzliche leitfähige Schicht aufgebracht ist. Vielmehr dient der Boden 32 des Wandlertopfes 30 als leitfähige Schicht. Hierzu ist der Wandlertopf 30 aus einem leitfähigen Material gefertigt, z.B aus Aluminium. Die Piezokeramikscheibe 1 ist mit einer Klebeschicht 70 mit dem Wandlertopf verbunden. Die Klebeschicht 70 ist dabei möglichst dünn zu wählen, um die Kapazität der Klebeschicht 70 möglichst groß werden zu lassen. Denn da es sich um eine Reihenschaltung von Kapazitäten handelt, ist der Kehrwert der Kapazität zweimal hinzu zu addieren. Bei einer sehr großen Kapazität der Klebeschicht 70 kann deren Kapazität für die Reihenschaltung der beiden Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode 2 und dem Boden 32 sowie dem Boden 32 und der zweiten Elektrode 3 vernachlässigt werden.
In der Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen ausgeführt, die für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug insbesondere für eine Abstandsmessung zu Hindernissen geeignet ist. Die Piezokeramikscheibe 1 ist an einem Boden 81 eines Wandlertopfes 80, wobei an dem Wandlertopf eine Wandung 82 angeordnet ist. Der Boden 81 ist die Schwingungsmembran des Wandlertopfes. Ferner ist die Wandung 82 des Wandlertopfes 80, die ringförmig ausgeführt ist, mit einer Verdickung 86 versehen, mit der die Wandung 82 in einen Entkopplungsring 83 greift, der z.B. in einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs befestigt ist. Über eine Kontaktfläche 87 ist ein elektrischer Anschluß 88 an die Piezokeramikscheibe angebracht. Bei dem in der Figur 4 gewählten Schnitt ist nur ein elektrischer Anschluß 88, also entweder der Anschluß an die erste Elektrode 2 bzw. die zweite Elektrode 3 sichtbar. Der Wandlertopf 80 ist mit einem Dämpfungsmittel 85 gefüllt. Die Piezokeramikscheibe 1 kann dabei gemäß der Figur 2 oder gemäß der Figur 3 ausgeführt sein.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einer Piezokeramikscheibe, die über zwei Seitenflächen verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Seitenfläche (10) eine erste und eine zweite Elektrode (2, 3) flächig angeordnet sind, daß die erste und die zweite Elektrode (2,3) elektrisch kontaktierbar sind, daß an einer zweiten Seitenfläche (20) zumindest in einem überwiegenden Bereich der zweiten Seitenfläche (20) eine leitfähige Schicht (4, 32, 81) angeordnet ist, daß die Piezokeramikscheibe (1) zumindest in einem ersten Bereich (11) zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Seitenfläche (20) eine erste elektrische Polarisation und zumindest in einem zweiten Bereich (12) zwischen der zweiten Elektrode (3) und der zweiten Seitenfläche (20) eine zweite elektrische Polarisation aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite elektrische Polarisation entgegengesetzt gerichtet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe (1) an einer Schwingungsmembran (32, 81) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode (2, 3) in etwa gleich groß sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) mit einem ersten sekundärseitigen Anschluß (42) eines Transformators (40) verbunden ist und die zweite Elektrode
(3) mit einem zweiten sekundärseitigen Anschluß des Transformators (40) verbunden ist und über den Transformator zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode
(3) eine WechselSpannung anlegbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein sekundärseitiger Mittelabgriff (44) des Transformators (40) mit Masse (45) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der zweiten Seitenfläche
(20) angeordnete leitfähige Schicht (4) mit der Schwingungsmembran (32, 81) verklebt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsmembran (32, 81) die leitfähige Schicht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe (1) auf die Schwingungsmembran (32, 81) aufgeklebt ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe in einem Wandlertopf (30, 80) angeordnet ist.
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