SCHALL- ODER ULTRASCHALLWANDLER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Schall- oder Ultraschallwandler mit einer scheibenförmigen piezo-elektrischen Einheit, einem ringförmigen Koppelelement, das die piezo-elektrische Einheit form- und kraftschlüssig umgibt, einer Anpaßschicht, die in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen vor der piezoelektrischen Einheit angeordnet ist, und einer Sende-/Empfangseinheit, die die piezoelektrische Einheit zu Radialschwingungen anregt. Bei der piezoelektrischen Einheit handelt es sich bevorzugt um eine Piezokeramikscheibe. Der Ultraschallwandler ist bevorzugt Teil eines Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Prozeßmediums, welches in einem Behälter angeordnet ist.

[0002] Der zuvor beschriebenen Schall- oder Ultraschallwandler ist bereits aus der EP 0 615 471 B1 bekannt geworden. Insbesondere zeichnet sich der bekannte Wandler dadurch aus, daß er bei geringen Abmessungen der Piezokeramikscheibe eine gegenüber der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe verringerte Betriebsfrequenz aufweist. Erreicht wird dies dadurch, daß ein Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt. Hierzu ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe bevorzugt durch Aufschrumpfen verbunden. Aufgrund der Kopplung verhält sich die Kombination aus Piezokeramikscheibe und Koppelring wie ein Radialschwinger, insbesondere wirkt die aus beiden Teilkomponenten gebildete Fläche des Radialschwingers als Abstrahlfläche für die Schall- oder Ultraschallwellen.

[0003] Das Dokument US-A-5 583 293 offenbart ein Schall- oder Ultraschallwandler mit einer scheibenförmigen piezoelektrischen Einheit, einem ringförmigen Koppelelement einer Anpaßschicht, und einer Sende- Empfangseinheit.

[0004] Dokumente US-A-5 195 373 und US-A-5 64 456 seinerseits verweisen auf eine Auswahl der Materialen der Aufbauelemente, die entweder gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben oder kleinere Ausdehnungskoeffizienten für die Anpaßschicht vorsehen als für die restlichen Aufbauelemente.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere einen als Radialschwinger ausgebildeten Schall- oder Ultraschallwandler für den Einsatz im Hochtemperaturbereich auszulegen.

[0006] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anpaßschicht aus einem Material gefertigt ist, das eine Wärmeformfestigkeit bis zu einer Temperatur aufweist, die über der Temperatur am Einbauort des Schall- oder Ultraschallwandlers liegt, daß der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings und daß der E-Modul des Materials der Anpaßschicht um mindestens eine Größenordnung geringer ist als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings.

[0007] Bevorzugt ist die Anpaßschicht aus Hartschaumstoff gefertigt. Als Hartschaumstoff mit niedriger Dichte kann beispielsweise der PMI-Hartschaumstoff Rohacell der Firma Röhm eingesetzt werden. Dieser Hartschaumstoff ist mit Dichten zwischen 30 bis 200 kg/m³ lieferbar. Durch die Verwendung eines Schaumstoffes mit geringer Dichte kann eine effektive lmpedanzanpassung an die Luft bzw. an die Atmosphäre, in der der Schall-/Ultraschallwandler eingesetzt wird, erzielt werden. Da der Schaumstoff eine relativ hohe Eigendämpfung besitzt, trägt die Anpaßschicht zur Verringerung des Nachschwingens des Schall- oder Ultraschallwandlers bei. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallwandlers ist vorgesehen, daß die Anpaßschicht sich aus mehreren Lagen mit zumindest teilweise unterschiedlichen Dichten zusammensetzt. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß die Lage der Anpaßschicht mit der höchsten Dichte in unmittelbarer Umgebung zum Radialschwinger angeordnet ist, während die Lage der Anpaßschicht mit der geringsten Dichte den größten Abstand zum Radialschwinger aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung läßt sich eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen dem eigentlichen Echosignal und den durch das Nachschwingen hervorgerufenen Störsignalen erreichen.

[0008] Hat der Schaumstoff beispielsweise eine Wärmeformfestigkeit bis 180° C, so arbeitet der Schall- oder Ultraschallwandler über einen Bereich von -40° C bis 150° C gleichmäßig. Da der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings und da der E-Modul des Materials der Anpaßschicht um mindestens eine Größenordnung geringer ist als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings, wird eine sehr gute Verbindung zwischen der Anpaßschicht und dem Radialschwinger über einen großen Temperaturbereich sichergestellt.

[0009] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Koppelring aus Metall oder aus Keramik gefertigt. Ist der Koppelring aus Metall gefertigt, so ist es möglich, die Verbindung zwischen der Mantelfläche der Piezokeramikscheibe und dem Koppelring über einen Schrumpfprozeß zu realisieren.

[0010] Infolge der hohen Feuchteempfindlichkeit des Schaumstoffs, aus dem die Anpaßschicht bevorzugt gebildet ist, ist es erforderlich, diesen effektiv vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor der Diffusion von Wasserdampf und vor Verschmutzungen zu schützen. Erreicht wird die erforderliche Kapselung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine Kombination: Diese besteht aus dem bereits zuvor erwähnten Metallring, der im Außenbereich der Piezokeramikscheibe angeordnet ist, und einer dünnen Schutzfolie, die die Anpaßschicht in Abstrahlrichtung abdeckt. Bevorzugt handelt es sich bei der Schutzfolie um eine Metallfolie, die beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist. Bevorzugt ist die Schutzfolie auf die Anpaßschicht geklebt bzw. in anderer Weise fest mit ihr verbunden und erhöht damit gleichzeitig deren mechanische Festigkeit.

[0011] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt ein Gehäuse vor, in dem die piezoelektrische Einheit mit dem Koppelring und der Anpaßschicht angeordnet ist. Weiterhin ist eine Vergußmasse vorgesehen, die zumindest in einigen Teilbereichen zwischen der Anpaßschicht, der piezoelektrischen Einheit, dem Koppelring und der Innenwand des Gehäuses angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Vergußmasse füllt den Rückraum des Gehäuses vollständig oder zumindest weitgehend aus. Bei der Vergußmasse handelt es sich beispielsweise um eine Elastomervergußmasse.

[0012] Um das Eindringen von Feuchtigkeit oder von Verschmutzungen durch den Rückraum des Sensors zu verhindern, ist eine Diffusionssperre vorgesehen, die entgegen der Abstrahlrichtung auf der Vergußmasse angeordnet ist. Bei der Diffusionssperre handelt es sich wiederum bevorzugt um eine Metallfolie.

[0013] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Fig. 1 näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallwandlers im Querschnitt.

[0014] Der in Fig. 1 dargestellte Schall- oder Ultraschallwandler 1 besteht aus einer runden Piezokeramikscheibe 2, deren Mantelfläche form- und kraftschlüssig von dem Koppelring 3 umschlossen wird. Handelt es sich bei dem Koppelring 3 beispielsweise um einen Metallring aus Aluminium, so kann dieser mit der piezoelektrischen 2 Einheit beispielsweise über Aufschrumpfen verbunden sein. Hierzu wird der Koppelring 3 in erwärmtem Zustand um die Piezokeramikscheibe 2 gelegt; beim Erkalten zieht er sich zusammen und umschließt die Piezokeramikscheibe 2 form- und kraftschlüssig.

[0015] Über die Verbindungsleitungen 10 wird eine Wechselspannung an die piezoelektrische Einheit 2 angelegt, wodurch diese und der mit ihr verbundene Koppelring 3 zu Radialschwingungen angeregt wird. Der Radialschwinger wird somit aus zwei Komponenten gebildet. Selbstverständlich könnte es sich bei dem Radialschwinger auch einfach um einen Piezokeramikscheibe handeln. Die Dicke der Anpaßschicht 4, die in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallen auf dem Radialschwinger, gebildet aus piezoelektrischer Einheit 2 und Koppelring 3, angeordnet ist, ist so gewählt, daß die Schall- oder Ultraschallwellen im wesentlichen nur in die gewünschte Abstrahlrichtung abgestrahlt werden.

[0016] Weiterhin ist die Anpaßschicht 4 so ausgelegt, daß der Schall- oder Ultraschallwandler 1 bzw. der zugehörige Sensor für den Einsatz im Hochtemperaturbereich geeignet ist. Hierzu ist die Anpaßschicht 4 aus einem Material gefertigt, das eine Wärmeformfestigkeit bis zu einer Temperatur aufweist, die über der Temperatur am Einbauort des Schall- oder Ultraschallwandlers 1 liegt. Weiterhin ist der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht 4 größer als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit 2 und/oder des Koppelrings 3. Auch ist der E-Modul des Materials der Anpaßschicht 4 um mindestens eine Größenordnung geringer als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit 2 und/oder des Koppelrings 3. Wie bereits gesagt, besteht die Anpaßschicht 4 bevorzugt aus Hartschaumstoff.

[0017] Der Radialschwinger mit piezoelektrischer Einheit 2, Koppelring 3 und Anpaßschicht 4 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet. Der Bereich zwischen der Mantelfläche des Radialschwingers und der Innenwand des Gehäuses 8 sowie der Bereich über dem Radialschwinger, der entgegen der Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen orientiert ist, ist mit einer Vergußmasse 7 aufgefüllt. Neben der Funktion, daß der Radialschwinger vor eindringender Feuchigkeit oder vor eindringendem Schmutz geschützt wird, kommt der Vergußmasse 7 die Aufgabe zu, das Abklingverhalten des Radialschwingers zu optimieren. Insbesondere handelt es sich bei der Vergußmasse 7 um einen Silikonverguß, in den Keramikteilchen und/oder Lufteinschlüsse eingebettet sind. Hierbei dient der Lufteinschluß der Verringerung der Dichte der Vergußmasse 7, was zu einem besseren Dämpfungsverhalten des Radialschwingers führt.

[0018] Als Diffusionssperre in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen dient die Schutzfolie 5, bei der es sich bevorzugt um eine Edelstahlfolie handelt. Durch eine weitere Diffusionssperre 6, die entgegen der Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen angeordnet ist, wird eine optimale Kapselung des Radialschwingers gegen die Atmosphäre bzw. gegen den Prozeß erreicht. Der Radialschwinger ist nach allen Richtungen gekapselt und wird so effektiv vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt.

[0019] Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebene Form des Radialschwingers, gebildet aus Piezokeramikscheibe und Koppelring beschränkt ist. Im Prinzip kann die erfindungsgemäße Anpaßschicht in Verbindung mit beliebigen Radialschwingern verwendet werden, also auch beispielweise mit dem Schall- oder Ultraschallwandler, der in der DE 25 41 492 B beschrieben ist.

Bezugszeichenliste

[0020] 

1

Schall- oder Ultraschallwandler

2

Piezoelektrische Einheit

3

Koppelelement / Koppelring

4

Anpaßschicht

5

Schutzfolie

6

Diffusionssperre

7

Vergußmasse / Dämpfungsverguß

8

Gehäuse

9

Kontaktierung

10

Verbindungsleitung

11

Sende-/Empfangseinheit

12

Erdungsanschluß

Ansprüche

1. Schall- oder Ultraschallwandler (1) mit einer scheibenförmigen piezoelektrischen Einheit (2), einem ringförmigen Koppelelement (3), das die piezoelektrische Einheit (2) form- und kraftschlüssig umgibt, einer Anpaßschicht (4), die in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen vor der piezoelektrischen Einheit (2) angeordnet ist, und einer Sende-/Empfangseinheit (11), die die piezoelektrische Einheit (2) zu Radialschwingungen anregt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anpaßschicht (4) aus einem Material gefertigt ist, das eine Wärmeformfestigkeit bis zu einer Temperatur aufweist, die über der Temperatur am Einbauort des Schall- oder Ultraschallwandlers (1) liegt,
daß der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht (4) größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit (2) und/oder des Koppelrings und daß der E-Modul des Materials der Anpaßschicht (4) um mindestens eine Größenordnung geringer ist als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit (2) und/oder des Koppelrings (3).

2. Schall- oder Ultraschallwandler 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anpaßschicht (4) aus Hartschaumstoff gefertigt ist.

3. Schall- oder Ultraschallwandler 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Koppelring (3) aus Metall oder aus Keramik gefertigt ist.

4. Schall- oder Ultraschallwandler 1, 2 oder 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen vor der Anpaßschicht (4) eine Schutzfolie (5) vorgesehen ist, die so angeordnet ist,
daß sie die Anpaßschicht (4) in Abstrahlrichtung vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und Verschmutzungen schützt.

5. Schall- oder Ultraschallwandler 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzfolie (5) aus Metall gefertigt ist.

6. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gehäuse (8) vorgesehen ist, in dem die Anpaßschicht (4) und die piezoelektrische Einheit (2) mit dem Koppelring (3) angeordnet sind und
daß eine Vergußmasse (7) vorgesehen ist, die zumindest in einigen Teilbereichen zwischen der Anpaßschicht (4), der piezoelektrischen Einheit (2), dem Koppelring (3) und der Innenwand des Gehäuses (8) angeordnet ist.

7. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Vergußmasse (7) um eine Elastomervergußmasse handelt.

8. Schall- oder Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
eine Diffusionssperre (6) vorgesehen ist, die entgegen der Abstrahlrichtung auf der Vergußmasse (7) angeordnet ist.

Claims

1. Sound transducer or ultrasonic transducer (1) with a discoid piezoelectric unit (2), an annular coupling element (3) that surrounds the piezoelectric unit (2) with positive locking, an adjustment layer (4) arranged in front of the piezoelectric unit (2) in the direction of emission of the sound waves or ultrasonic waves, and a transmission/receiver unit (11) that excites the piezoelectric unit (2) to perform radial oscillation,
characterized in that:

- the adjustment layer (4) is made from a material exhibiting heat resistance up to a temperature that is above the temperature at the mounting location of the sound transducer or ultrasonic transducer (1)

- the material-specific expansion coefficient of the material of the adjustment layer (4) is greater than the expansion coefficient of the materials of the piezoelectric unit (2) and/or the coupling ring

- the elastic modulus of the material of the adjustment layer (4) is at least one level lower than the elastic modulus of the piezoelectric unit (2) and/or the coupling ring (3).

2. Sound transducer or ultrasonic transducer 1, characterized in that the adjustment layer (4) is made from hard foam.

3. Sound transducer or ultrasonic transducer 1, characterized in that the coupling ring (3) is made from metal or ceramic.

4. Sound transducer or ultrasonic transducer 1, 2 or 3, characterized in that a protective film (5) is provided in front of the adjustment layer (4) in the direction of emission of the sound waves or ultrasound waves, said film being arranged in such a way that it protects the adjustment layer (4) from the penetration of moisture and dirt in the direction of emission.

5. Sound transducer or ultrasonic transducer 4, characterized in that the protective film (5) is made from metal.

6. Sound transducer or ultrasonic transducer as per Claim 1, characterized in that a housing (8) is provided in which the adjustment layer (4) and the piezoelectric unit (2) with the coupling ring (3) are arranged, and in that a sealing compound (7) is provided, being arranged at least in some areas between the adjustment layer (4), the piezoelectric unit (2), the coupling ring (3) and the inner wall of the housing (8).

7. Sound transducer or ultrasonic transducer as per Claim 1 or 6, characterized in that the sealing compound (7) is an elastomer sealing compound.

8. Sound transducer or ultrasonic transducer as per one or several of the Claims 1-7, characterized in that a diffusion barrier (6) is provided which is arranged on the sealing compound (7) opposite to the direction of emission.

Revendications

1. Convertisseur sonore ou ultrasonore (1) avec une unité piézo-électrique (2) en forme de disque, un élément de couplage (3) annulaire, qui entoure l'unité piézo-électrique (2) par une liaison de forme et de force, une couche d'adaptation (4), qui est disposée dans la direction du faisceau des ondes sonores ou ultrasonores, devant l'unité piézo-électrique (2), et une unité d'émission / de réception (11), qui excite l'unité piézo-électrique (2) en oscillations radiales,
caractérisé en ce
que la couche d'adaptation (4) est constituée d'un matériau, qui présente une résistance à la déformation thermique jusqu'à une température, qui est supérieure à la température régnant sur le lieu d'implantation du convertisseur sonore ou ultrasonore (1),
que le coefficient de dilatation spécifique au matériau de la couche d'adaptation (4) est supérieur au coefficient de dilatation des matériaux de l'unité piézo-électrique (2) et/ou de la bague de couplage, et en ce que le module d'élasticité du matériau de la couche d'adaptation (4) est inférieur d'au moins un ordre de grandeur au module d'élasticité de l'unité piézo-électrique (2) et/ou de la bague de couplage (3).

2. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 1,
caractérisé en ce
que la couche d'adaptation (4) est constituée d'une mousse de polyuréthane dure.

3. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 1,
caractérisé en ce
que la bague de couplage (3) est constituée de métal ou de céramique.

4. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 1, 2 ou 3,
caractérisé en ce
qu'est prévue, dans la direction du faisceau des ondes sonores ou ultrasonores, devant la couche d'adaptation (4), un film de protection (5), qui est disposé de telle manière à protéger la couche d'adaptation (4), dans la direction du faisceau, contre l'infiltration d'humidité et de saletés.

5. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 4,
caractérisé en ce
que le film de protection (5) est constitué de métal.

6. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 1,
caractérisé en ce
qu'est prévu un boîtier (8), dans lequel sont disposées la couche d'adaptation (4) et l'unité piézo-électrique (2) avec la bague de couplage (3) et en ce qu'est prévue une masse de scellement (7), laquelle est disposée au moins dans quelques zones partielles entre la couche d'adaptation (4), l'unité piézo-électrique (2), la bague de couplage (3) et la paroi intérieure du boîtier (8).

7. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon la revendication 1 ou 6,
caractérisé en ce
que, concernant la masse de scellement (7), il s'agit d'une masse de scellement à base d'élastomère.

8. Convertisseur sonore ou ultrasonore selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce
qu'est prévue une barrière de diffusion, laquelle est disposée sur la masse de scellement (7) dans la direction opposée à la direction du faisceau.

Zeichnung