ULTRASCHALLWANDLER MIT SCHEIBENFÖRMIGEN VIERTELWELLENLÄNGEN-ANPASSUNGSKÖRPER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper und mit einem scheibenförmigen λ/4-Anpassungskörper.

[0002] Ein gattungsgemäßer Ultraschallwandler ist durch Anwendung in Ultraschall-Sensoren bzw. -Näherungsschaltern bereits bekannt. Er weist eine relativ schmale Schallkeulen-Charakteristik auf und hat zugleich verhältnismäßig kleine Nebenkeulenamplituden. Der λ/4-Anpassungskörper dient zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallwellen in ein gasförmiges Ausbreitungsmedium, vorzugsweise zum Einsatz in Ultraschall-Näherungsschaltern.

[0003] 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 Piezokeramikkörpers und zur diesem zugewandten Fläche des Anpassungskörpers geringfügig unterschiedliche Flächengröße aufweist. Die Seitenlinie des Anpassungskörpers 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 Vorhandensein seitlicher Störobjekte, unzureichend.

[0004] In der EP 0 655 156 B1 ist ein Ultraschallwandler mit einem Anpassungskörper mit zylindrischer Mantelfläche offenbart, der an der Mantelfläche und/oder an der dem Piezokeramikkörper zugewandten Fläche einen Einschnitt aufweist. Diese Ausführung ermöglicht richtscharfe Schallkeulen mit kleinen Nebenkeulenamplituden von weniger als -30 dB.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß er schmale Hauptkeulenöffnungswinkel bei gleichzeitig kleinen Nebenkeulenamplituden aufweist.

[0006] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die seitliche Umfangsfläche des λ/4-Anpassungskörpers als Stufenprofil ausgebildet ist.

[0007] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

Einen Ultraschallwandler mit rechteckigem Stufenprofil und

FIG 2

einen Ultraschallwandler mit nicht rechteckigem Stufenprofil.

[0009] FIG 1 zeigt das Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ultraschallwandlers 1 mit einem zylindrischen, scheibenförmigen Piezokeramikkörper 2 und einem mit diesem z.B. verklebten scheibenförmigen Anpassungskörper 3. Die seitliche Umfangsfläche 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 abgewandten, äußeren Oberfläche des Anpassungskörpers 3 beträgt 28 mm, die Gesamthöhe des Anpassungskörpers 3 beträgt 6,5 mm, und die Höhe des überstehenden Teils des Anpassungskörpers mit dem Durchmesser von 28 mm beträgt 2,4 mm. Der Anpassungskörper 3 besteht aus einem robusten syntaktischen Schaum aus einem Epoxid-Glashohlkugel-Gemisch. Der beispielhafte Ultraschallwandler 1 hat eine resonante Arbeitsfrequenz von ca. 80 kHz mit einer -3 dB-Breite des Schallkeulenöffnungswinkels von ca. 11° und sehr kleine Nebenkeulenamplituden von ca. -30 dB.

[0010] FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 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 schallabstrahlenden Oberfläche des Anpassungskörpers 3 führt dabei zu einem schmäleren Schallkeulenöffnungswinkel.

[0011] 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 Ausführungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen, Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.

Ansprüche

1. Ultraschallwandler (1) mit einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper (2) und mit einem scheibenförmigen λ/4-Anpassungskörper (3), dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Umfangsfläche des λ/4-Anpassungskörpers (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 Piezokeramikkörpers (2).

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Piezokeramikkörper (2) zugewandte 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-Anpassungskörpers (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.

Claims

1. Ultrasonic transducer (1) with a disc-shaped piezoceramic body (2) and with a disc-shaped λ/4 matching body (3), characterised in that the side circumferential surface of the λ/4 matching body (3) is formed as a stepped profile (4), with the sound-radiating base area of the λ/4 matching body (3) facing away from the piezoceramic body (2) being flat over its complete area and being larger than the base area of the piezoceramic body (2).

2. Ultrasonic transducer in accordance with claim 1, characterised in that the base area of the matching body (3) facing the piezoceramic body (2) deviates from the base area of the piezoceramic body (2) by a maximum of 20%.

3. Ultrasonic transducer in accordance with claims 1 or 2, characterised in that the sound-radiating base area of the λ/4 matching body (3) facing away from the piezoceramic body (2) is at least 30% larger than the base area of the piezoceramic body (2).

4. Ultrasonic transducer in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the step profile (4) is formed as a single step with surfaces arranged at right angles to each other.

5. Ultrasonic transducer in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the step profile is formed as a profile with surfaces which are sometimes also bevelled and are not at right angles to each other.

6. Ultrasonic transducer in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the step profile (4) is formed from two or more right-angled and/or non-right-angled steps.

Revendications

1. Transducteur (1) à ultrasons ayant un élément (2) piézocéramique en forme de disque et un élément (3) d'adaptation λ/4 en forme de disque, caractérisé en ce que la surface latérale périphérique de l'élément (3) d'adaptation λ/4 est constituée en profil (4) en gradin, la surface de base de l'élément (3) d'adaptation λ/4 qui est éloignée de l'élément (2) piézocéramique et qui émet le son étant plane sur toute sa zone et plus grande que la surface de base de l'élément (2) piézocéramique.

2. Transducteur à ultrasons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de base de l'élément (3) d'adaptation, qui est tournée vers l'élément (2) piézocéramique, s'écarte au maximum de 20 % de la surface de base de l'élément (2) piézocéramique.

3. Transducteur à ultrasons suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de base de l'élément (3) d'adaptation λ/4, qui est éloignée de l'élément (2) piézocéramique et qui émet le son, est plus grande d'au moins 30 % que la surface de base de l'élément (2) piézocéramique.

4. Transducteur à ultrasons suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil (4) en gradin est constitué sous la forme d'un gradin simple ayant des surfaces dirigées à angle droit l'une par rapport à l'autre.

5. Transducteur à ultrasons suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil en gradin est constitué sous la forme d'un profil ayant des surfaces en parties également inclinées sans être à angle droit l'une par rapport à l'autre.

6. Transducteur à ultrasons suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil (4) en gradins est constitué de deux ou de plusieurs gradins à angle droit et/ou qui ne sont pas à angle droit.

Zeichnung