[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Biegewandler, wie er
im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
[0002] Aus der EP-B-0 075 302 ist ein Sensor für die Durchführung einer Distanzmessung nach
dem Ultraschall-Echoprinzip bekannt. Dieser Sensor soll der Ermittlung und Anzeige
von Annäherungsabständen zwischen einem Fahrzeug und Hindernissen im Nahbereich
dienen. Es handelt sich dabei um einen Topfwandler mit darin angeordnetem piezokeramischem
Schwinger. Auf der Innenseite der Membran dieses Topfwandlers ist an zwei horizontalen,
gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial zur Verhinderung einer energiereichen
Ultraschallabgabe oder Signalabgabe vorgesehen. Das Dämpfungsmaterial ist z.B. Weichgummi.
Für die oben angegebene Anwendung ist vorgesehen, den Topfwandler in einem Hornstrahler
anzuordnen.
[0003] Die Membran des Topfwandlers ist der Topfboden desselben. Aufgrund des asymmetrisch
zur Normalen der Membran bzw. des Topfbodens verteilt angebrachten Dämpfungsmaterials
hat dieser Wandler eine entsprechend asymmetrische Sende- und Empfangscharakteristik
bzw. Sende- und Empfangskeule. Für diesen Topfwandler kann man sich eine Verbindungslinie
zwischen dem asymmetrisch im Inneren des Topfwandlers angebrachten Anteilen des Dämpfungsmaterials
denken. Diese Verbindungslinie verläuft senkrecht zur Flächennormalen der Membran
(Topfboden). Diese Verbindungslinie und die erwähnte Flächennormale bilden eine Ebene.
Die Schallausbreitung bzw. die Schall-Empfangscharakteristik in dieser Ebene ist
im wesentlichen eine einzige Strahlungskeule mit der erwähnten Normalen als Mittellinie.
[0004] In der zu dieser genannten Ebene senkrechten Ebene weist die Strahlungscharakteristik
mehrere Strahlungskeulen auf, von denen die mittlere Strahlungskeule ähnlich der voranstehend
angegebenen Strahlungskeule die Flächennormale der Membran als Mittellinie hat. In
dieser senkrechten Ebene treten neben dieser Mittelkeule auf jeder Seite je eine weitere
Strahlungskeule nach Art von Nebenmaxima auf. Dabei ist aber die Größe eines solchen
Nebenmaximums im wesentlichen gleich groß wie die mittlere Strahlungskeule.
[0005] Ein solcher Topfwandler hat also im Prinzip in der einen Ebene (nämlich der oben
erwähnten senkrechten Ebene) ein breites Strahlungsfeld für Aussendung und/oder Empfang.
In der dazu senkrechten Ebene hat dieser Wandler eine relativ schmale Charakteristik,
so daß sich insgesamt eine astigmatische Schallcharakteristik ergibt.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für einen Wandler mit einer
möglichst verbesserten astigmatischen Strahlungscharakteristik anzugeben, der einfacher
und zuverlässig reproduzierbar herzustellen und der frei von Alterung ist.
[0007] Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschall-Biegewandler mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus
den Unteransprüchen hervor.
[0008] Eine wie bekannte Verwendung von Dämpfungsmaterial hat den Nachteil, daß sich in
der Großserie erhebliche Streuungen der charakteristischen Werte solcher Wandler ergeben
und/oder keine ausreichende Alterungsbeständigkeit zu erreichen ist. Die Erfindung
beruht daher auf dem Gedanken, bereits dem eigentlichen Topfwandler solche charakteristischen
Eigenschaften zu geben, die stets reproduzierbare und/oder zuverlässig eingehaltene
vorgegebene charakteristische Werte gewährleisten.
[0009] Für die Erfindung ist wiederum von einem Verbund zwischen einem Piezoelement und
einer Platte, z.B. eines topfförmigen, nichtpiezoelektrischen Körpers, ausgegangen
worden. Erfindungsgemäß ist die Membran zur Erzielung der Anisotropie der Schallabstrahlung
so ausgebildet, daß sie anisotrope elastische Eigenschaften in zueinander senkrechten
in der Ebene der Membran liegenden (Haupt-)Richtungen besitzt. Entsprechendes Übergangsverhalten
liegt bei dieser Membran für die Richtungen zwischen diesen beiden Hauptebenen vor.
[0010] Erfindungsgemäß sind diese anisotropen elastischen Eigenschaften dadurch erzielt,
daß die Werte der Schallgeschwindigkeit im Material dieser Membran in diesen beiden
Hauptrichtungen wesentlich voneinander verschieden sind. Dabei kann der Topfwandler
nach wie vor die technisch einfach herzustellende runde Form haben. Diese unterschiedlichen
Schallgeschwindigkeiten sind bei einem erfindungsgemäßen Topfwandler durch mechanische
Veränderungen in der Oberfläche der Membran derselben herbeigeführt. Zum Beispiel
ist die Membran durch Ritzen, Prägen, Sägen oder Fräsen von Nuten und dergleichen
in die Oberfläche der Membran verändert, wobei die Richtung dieser Bearbeitungen
jeweils parallel zueinander und parallel zu der einen Hauptrichtung ist. Durch jeweilige
Wahl der Anzahl des Abstandes und/oder der Breite der in der Oberfläche der Membran
erzeugten Ritzen, Rillen und dgl., können in weiten Grenzen unterschiedliche Verhältniswerte
der Anisotropie erreicht werden. Eine einfache Lösung ist, diese Rillen, Ritzen und
dgl. auf derjenigen Seite der Wandlermembran anzubringen, die die Außenseite des Topfwandlers
ist. Die Rillen, Ritzen und dgl. können aber auch auf der Innenseite des Topfwandlers
auf der Membran aufgebracht sein. Es kann sogar der piezoelektrische Keramikanteil
des Topfwandlers mit derartigen Rillen, Ritzen und dgl. versehen sein.
[0011] Außer der einfachen runden Form des Topfwandlers kann auch quadratische Formen desselben
vorgesehen sein. Auch rechteckige und elliptische Formen können sinnvoll sein. Im
Falle eines quadratischen Wandlers wird durch Anregungen von mehr als einem Schwingungsmode
Breitbandigkeit erzielt. Elliptische und recht eckige Ausführung ermöglichen durch
Anpassung der Stützstellen an die Knotenlinien der Membran einen effizienten Monomodenbetrieb.
[0012] In jeweiligen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, an sich bekannte Maßnahmen zur
Apodisierung der Membranschnelle und zur zusätzlichen Dämpfung der Wandlergüte mit
der Erfindung zu kombinieren. Zur Dämpfung können zusätzlich Dämpfungsmaterialien
verwendet werden, ohne daß das ein Widerspruch zu den obigen Ausführungen zum Stand
der Technik ist. Im Falle einer solchen Wandlerdämpfung wirken sich Materialveränderungen
des Dämpfungsmaterials weit weniger gravierend und insbesondere praktisch gar nicht
auf die astigmatische Strahlungs- bzw. Empfangseigenschaft aus.
[0013] Die Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf die Membran eines erfindungsgemäßen Topfwandlers,
der eine astigmatische Schallkeule für Senden und Empfang hat. Die Membran des Wandlers
1 ist mit 2 bezeichnet. Diese Membran besteht aus einer, z.B. einen Topfboden bildenden,
Platte 11, aus piezoelektrisch inaktivem Material, vorzugsweise aus Metall, und aus
einem daran befestigten Plättchen 10 aus Piezomaterial, wie z.B. Piezokeramik. Mit
3 sind Rillen bzw. Ritzen (als eine der diesbezüglichen Ausgestaltungen) bezeichnet,
die sich in der Außenoberfläche der Membran 2 des Topfwandlers 1 befinden. Diese Rillen
oder Ritzen 3 bewirken, daß die Membran 2 und damit auch der Topfwandler in der einen
Hauptrichtung 5 erheblich geringere Steifigkeit bzw. niedrigere Schallgeschwindigkeit
hat, als dies für die dazu senkrechte Hauptrichtung 4 gilt. Mit N ist die Normalenrichtung
der Membran 2 bezeichnet, die auch die Mittelachse der Schallkeule ist.
[0014] Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Wandlers 1, und zwar diese Ansicht im Schnitt.
Mit 7 ist der Rand dieses Topfwandlers bezeichnet. Deutlich sind die in der Oberfläche
der Membran 2 z.B. eingeprägten, eingesägten oder eingefrästen Rillen bzw. Ritzen
3 zu erkennen. Die auf der Innenseite des Topfwandlers 1 auf der Oberfläche der Membran
2 angebrachte, z.B. aufgeklebte, Scheibe 10 aus polarisierter Piezokeramik, z.B. einem
Blei zirkonat-Titanat, ist der piezoelektrische Schwinger. Mit 14 ist eine Elektrode
und mit 12 ist Klebstoff bezeichnet.
[0015] Figur 3 zeigt ein der Figur 2 entsprechendes Bild mit auf der Innenseite des Topfwandlers
101 in der Oberfläche der Membran 2 angebrachten Rillen bzw. Ritzen 13. Diese Rillen
bzw. Ritzen 13 können anstelle der Rillen bzw. Ritzen 3 oder zusammen mit solchen
Rillen bzw. Ritzen 3 vorgesehen sein. Auf jeden Fall sind Rillen bzw. Ritzen 3 und
13 wenigstens im wesentlichen parallel ausgerichtet. Mit 110 ist die zur Membran 2
gehörige Scheibe aus Piezokeramik bezeichnet. Die zugehörige Elektrode ist nicht dargestellt.
[0016] Die Rillen, Ritzen 3, 13 können gleichmäßig äquidistant über die Oberfläche verteilt
sein. Sie können vorzugsweise symmetrisch zur (zur Richtung 4 parallelen) Mittellinie,
über die Richtung 5 verteilt angeordnet sein, wie dies die Figur 1 zeigt. Sinngemäß
kann diese Verteilung auch ungleichmäßig dicht sein, wie aus Figur 1 zu entnehmen.
[0017] Diese Rillen bzw. Ritzen 3, 13 reichen vorzugsweise von Rand zu Rand der Platte 11
und/oder des Plättchens 10. Sie können aber auch in einem Abstand von einem solchen
Rand beginnen oder enden. Auch können sie in ihrer Längsrichtung Unterbrechungen aufweisen.
[0018] Bei einem erfindungsgemäßen Wandler ist die Kopplung der Schwingungsmoden der beiden
Richtungen 4 und 5 so groß, daß für den runden Topfwandler im wesentlichen ein Modenspektrum
zu beobachten ist, daß eine Grundfrequenz und dazu paarweise auftretende Oberwellen
hat. Diese Oberwellen sind bei einem erfindungsgemäßen Wandler deutlich voneinander
unterscheidbar. Man kann einen erfindungsgemäßen Wandler zuverlässig auf einer der
paarweisen Oberwellen betreiben, ohne daß Gefahr besteht, der Wandler könnte in die
Schwingung der anderen Oberwelle überspringen.
[0019] Dieses vorteilhafte Verhalten erweitert die Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen
Wandlers.
[0020] Figur 4 zeigt die prinzipielle Verteilung die Schallkeule in der Mittelebene, die
senkrecht auf der Darstellungsebene der Figur 1 und parallel zur Richtung 4 ist. Die
Figur 5 zeigt die Schallkeule in der zur Zeichenebene und zur Richtung 4 senkrechten
Mittelebene. Deutlich ist zu erkennen, daß die Strahlungskeule der Figur 4 wesentlich
breiter ist als diejenige der Figur 5, d.h. der Wandler nach den Figuren 1, 2 und
3 in einer die Richtung 4 enthaltenden Ebene ein breites Feld erfaßt, wohingegen in
dazu senkrechter Richtung der Wandler eine so schmale Keule hat, daß gegenüber seiner
Achsenrichtung weiter entfernte Orte von der astigmatischen Strahlungskeule nicht
mehr erfaßt werden.
[0021] Ein Wandler der erfindungsgemäßen Art ist insbesondere als Detektionswandler für
Land und Wasserfahrzeuge geeignet, bei denen parallel zur Fahrebene breite "Ausleuchtung˝
erwünscht ist, dagegen aber in die Höhe möglichst wenig Schall abgestrahlt (und als
Echo zurückerhalten) werden soll. Genau dasjenige gilt für die Empfangscharakteristik
eines solchen erfindungsgemäßen Wandlers. Ein solcher Wandler kann gleichermaßen als
Sender und Empfänger benutzt werden. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen
Wandlers ist, daß durch die Wahl, die Verteilung und die Bemessung der Rillen bzw.
Ritzen 3 in der Oberfläche der Membran 2 eine relativ weitgehende Überdeckung des
Hauptmaximums der Abstrahlung (und Empfangsempfindlichkeit) mit den zugehörigen Nebenzipfeln
zu erzielen ist. Das bedeutet, daß für einen erfindungsgemäßen Wandler blinde Richtungen
innerhalb der Gesamtstrahlkeule minimiert werden können, in deren Richtung der Wandler
ein sehr schmales Hindernis, z.B. einen Laternenpfosten, nicht detektieren könnte.
[0022] Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers ist die als Rückfahrhilfe
insbesondere für schwere Fahrzeuge mit Sichtbehinderung nach rückwärts oder für Fahrzeuge
(Bagger und dgl.) die häufig hin- und herrangieren.
[0023] Es hat sich gezeigt, daß für jeweilige Anwendungsfälle speziell bevorzugte Ausführungsformen
und/oder Formen sowie Bemessungen ausgewählt werden können. Bevorzugt ist die Realisierung
eines erfindungsgemäßen Biegewandlers als Topfwandler, wie dies im übrigen auch im
Stand der Technik vorgesehen ist. Die Membran und der diese Membran zu einem Topf
ergänzende Teil sind vorzugsweise einstückig miteinander verbunden.
[0024] Die Membran bzw. gegebenenfalls auch der Topf werden bevorzugt kreisrunde Form haben.
Es kann auch rechteckige oder bevorzugt ovale Form vorgesehen sein, nämlich je nachdem
welches Schwingungsverhalten der Membran bevorzugt ist. Die ovale Form kann eine elliptische
Form sein. Sie kann aber auch die Form einer altägyptischen Kartusche, d.h. eines
in einer Richtung in die Länge gezogenen Kreises, haben.
[0025] Hinsichtlich solcher Ausgestaltungen von Formen des Topfes zu einer erfindungsgemäß
mit Rillen bzw. Ritzen versehenen Membran sei auch auf den Stand der Technik (EP-B-00
75 302) hingewiesen.
[0026] Die Membran kann bezogen auf die gewünschte Schwingungsfrequenz so groß bemessen
sein, daß (worauf oben bereits hingewiesen ist) die Resonanzfrequenz ihrer (einen)
ersten Oberwelle benutzt wird. Dazu empfiehlt es sich, das Plättchen aus Keramikmaterial
nur so groß zu bemessen, daß es, auf der Platte der Membran angebracht, vom Zentrum
aus nur höchstens bis an die Schwingungsknotenlinie (z.B. Schwingungsknotenkreis),
dieser ersten Oberwelle heranreicht. Damit erübrigt es sich, das Plättchen bzw. die
Anordnung und Form der Elektroden auf dem Plättchen so auszugestalten, daß entsprechende
Anteile desselben (als Sender) in der erforderlichen Weise gegenphasig piezoelektrisch
erregt werden.
[0027] Sinngemäß entsprechendes gilt jeweils auch für das Empfangsverhalten eines erfindungsgemäßen
Wandlers.
[0028] Hinsichtlich der Tiefe der Rillen bzw. Ritzen ist zu empfehlen, diese auf mehr als
50% der Dicke der Platte bzw. des Plättchens zu bemessen. Es ist jedoch darauf zu
achten, daß die Tiefe der Rillen nicht so groß ist, daß die Stabilitätsgrenze überschritten
wird, die für die Membran 2 zu fordern ist. Grundsätzlich ist zu sagen, daß je tiefer
die Rillen bzw. Ritzen bemessen sind, um so stärker die gewünschte Asymmetrie der
Ab strahlung bzw. der Empfangs-Richtcharakteristik (Fig. 4, Fig. 5) ist. Entsprechendes
gilt für die jeweilige Länge dieser Ritzen bzw. Rillen, nämlich bezogen auf die jeweilige
Abmessung der Membran. Wie die Figuren zeigen, müssen diese Ritzen bzw. Rillen nicht
in jedem Falle bereits am Rande der Membran beginnen und enden.
[0029] Erfindungsgemäße Wandler nach Fig. 1 und 2 haben z.B. einen Topf mit 25 mm Durchmesser
und eine Dicke 0,4 mm der Platte 11 der Membran 2. Das Keramikplättchen 10 hat 0,25
bzw. 0,4 mm Dicke und etwa 9 mm Durchmesser (Durchmesser des Schwingungsknotenkreises).
Ohne Rillen hat dieser Wandler eine Eigenfrequenz bei 40 kHz. Mit erfindungsgemäßen
Rillen 3 mit 0,2 mm Tiefe und etwa 0,2 mm Breite bei 1 mm Abstand ergibt sich eine
Eigenfrequenz von 36 bis 33 kHz.
[0030] Die Winkel der Abstrahlung in den Richtungen 4 und 5, das ist das Ausmaß des Astigmatismus,
betragen bei einem solchen Wandler 120 bis 140° zu 60 bis 65°.
1. Elektroakustischer Biegewandler, vorzugsweise in Topfform, mit einer Membran, die
ein Verbund aus einer Platte aus piezoelektrisch inaktivem Material und einem Plättchen
aus piezoelektrischem Material ist, wobei das Plättchen, bezogen auf die Fläche der
Platte, zentral angeordnet und mit dieser verbunden ist, wobei das piezoelektrische
Plättchen mit Elektroden versehen ist und
wobei dieser Wandler bezogen auf die Flächennormale der Membran ein unsymmetrisches
räumliches Schall-Richtdiagramm (Fig. 4, 5) besitzt,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) in wenigstens einer ihrer Oberflächen solche Rillen (3, 13) aufweist,
die im wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind.
2. Biegewandler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen in der Oberfläche der Platte (11) der Membran (2) befinden.
3. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen (13) in der Oberfläche des Plättchens (12) der Membran (2)
befinden.
4. Biegewandler nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Tiefe der Rillen mehr als 50% der Dicke der Platte (11) bzw. des Plättchens
(12) beträgt, wobei die maximale Tiefe derartiger Rillen durch die Stabilitätsgrenze
der Membran gegeben ist.
5. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) über die ganze Fläche der Membran (2) verteilt sind.
6. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) in der jeweiligen Oberfläche der Membran (2) unsymmetrisch
verteilt sind.
7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) im wesentlichen in wenigstens einer jeweiligen Zone nahe dem
Rande der Membran (2) vorhanden sind.
8. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Abstände zwischen den einzelnen Rillen (3, 13) nicht äquidistant sind.
9. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) einstückig mit einem Rand verbunden ist, so daß ein topfförmiger
Wandler (1) vorliegt.
10. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das jeweilige Material der Membran (2) eingeprägt sind.
11. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das Material der Membran (2) eingesägt sind.
12. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (13) auf wenigstens derjenigen Oberfläche der Membran (2) vorgesehen
sind, die eine Innenseite des Wandlers (1) ist.
13. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß auf einer beidseitig mit Rillen versehenen Membran (2) die Rillen (3, 13) auf
der Innenseite und der Außenseite der Membran (2) in im wesentlichen gleicher Richtung
verlaufen.
14. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß wenigstens die Membran ovale Form aufweist.
15. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß es eine elliptische Form ist.
16. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran die Form einer altägyptischen Kartusche hat.
17. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) die Form eines Rechtecks hat.
18. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich das Plättchen aus piezoelektrischem Material im wesentlichen nur in derjenigen
zentralen Schwingungszone der Membran befindet, die innerhalb der Knotenlinie der
Schwingung der ersten Oberwelle der an ihrem Rande eingespannten Membran befindet.