DE19960323A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen - Google Patents

Abstract

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

Description

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 Fig. 1a eine Aufsicht auf die Oberseite der erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe, die Fig. 1b eine Seitenansicht, die Fig. 1c eine Aufsicht auf die Unterseite, Fig. 2 eine erste Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Ultraschallwandlers mit einer erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe, Fig. 3 eine zweite Schaltungsanordnung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers und Fig. 4 eine Seitenansicht eines Schnittes durch einen Ultraschallwandler mit einer erfindungsgemäßen Piezokeramikscheibe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1a, 1b und 1c ist eine Piezokeramikscheibe 1 dargestellt. In der Fig. 1a ist die Piezokeramikscheibe 1 in einer Aufsicht, in der Fig. 1b in einer Seitenansicht und in der Fig. 1c in einer Aufsicht aus der der Aufsicht in der Fig. 1a gegenüberliegenden Richtung dargestellt. Wie in der Fig. 1a dargestellt, ist auf die Piezokeramikscheibe 1 eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 aufgebracht. 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 Fig. 1b 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 Fig. 1b 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 Fig. 1c 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen dargestellt. Die in der Fig. 3 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der zu der Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2 oder gemäß der Fig. 3 ausgeführt sein.

Claims (10)

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.