EP0557780A1 - Ultrasonic transducer with piezoelectric polymer foil - Google Patents

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EP0557780A1
EP0557780A1 EP93101959A EP93101959A EP0557780A1 EP 0557780 A1 EP0557780 A1 EP 0557780A1 EP 93101959 A EP93101959 A EP 93101959A EP 93101959 A EP93101959 A EP 93101959A EP 0557780 A1 EP0557780 A1 EP 0557780A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
strips
carrier
sections
strip
converter according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93101959A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nils Dr.-Ing. Kroemer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0557780A1 publication Critical patent/EP0557780A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to an air-ultrasonic transducer array with thin shells made of piezoelectric polymer film with the features of claim 1.
  • Air ultrasonic transducer arrays based on the electrostatic principle are known. They consist of flat, parallel, strip-shaped membranes. They have a high sensitivity and wide bandwidth and have very little crosstalk between adjacent transducer elements. In practice, the necessity of an electrostatic bias and the sensitivity to dust and moisture prove to be disadvantageous. Another disadvantage is the high manufacturing outlay, particularly when a large range of variation in the converter properties is required.
  • Piezoceramic layer transducers are also known, which can also be arranged in arrays. Such transducers are very robust, the width of the individual elements in the plane in which the sound beam is to be pivoted can be chosen to be small compared to the sound wavelength. This is a prerequisite for a large acoustic opening angle of an individual element of the array and thus also for a large one Deflection angle of the sound beam.
  • the low bandwidth of the converters and the relatively strong crosstalk between closely adjacent individual elements have proven to be disadvantageous. Adequate damping can only be bought with a larger distance between the individual elements, so that the maximum deflection angle of the sound beam is reduced.
  • the width of the individual elements can also be chosen largely independently of the usable ultrasound frequency, so that arrays with variable deflection areas can be realized. It is disadvantageous that the tangential edge clamping requires correspondingly geometrically adapted components. This leads to increased effort when the geometry of the transducer is to be changed. In addition, flat arrays can only be produced with a comparatively large distance between the individual elements, so that only a very small deflection area for the sound beam is possible.
  • transducers with a coherent piezopolymer film in which the multiple curvature is produced in the form of a corrugated roof with alternating convex and concave curvatures of the same radius.
  • Another disadvantage is the relatively large longitudinal extent.
  • Another disadvantage is the large distance between the vertices of the arches and the continuous metallization of the film on both sides. In the areas of the fixation, the film acts as a parasitic capacitance, so that the efficiency of the converter is impaired.
  • the object of the present invention is to provide an ultrasound transducer, in particular as an array, which can be easily manufactured in different configurations and which guarantees a large deflection angle of the sound radiation and a large variability in terms of frequency range and emitted signal shape.
  • the air-ultrasound transducer array according to the invention consists of several identical, hat-shaped, mechanically decoupled strips metallized on both sides from a piezoelectric polymer film.
  • the strips are aligned parallel to one another and arranged next to one another along a straight line.
  • Short sections at the ends of the strips are fixed on a support that is at least sectionally flat, the distance between the fixing points being smaller than the length of a strip, so that a hat-shaped curvature of the strip results due to the rigidity of the polymer film.
  • the carrier has acoustic damping properties.
  • Fig. 1 is a cross section 1 of a piezoelectric strip Polymer film shown, the sections 3 at their ends on a support 2, z. B. is attached by gluing.
  • the top 4 and bottom 5 of this strip 1 is each provided with a metallization.
  • the direction of the sound radiation is indicated by arrows.
  • the connection contacts are also shown.
  • this converter is shown in supervision.
  • the strips 1 with the fixed sections 3, which are aligned next to one another parallel to one another, are shown on the carrier 2. The distance s between these strips 1 is significantly smaller than the width b of a strip.
  • FIG. 3 shows the cross section from FIG. 1, in which 3 guide elements or guide webs 7 are additionally shown to the side of the attached sections.
  • This guide web 7 can be present in common for all strips 1.
  • the radius of the concave curvature of the strips (at the fixing point) is reduced, so that the shape of the curvature of the strip z. B. can be approximately a section of the jacket of a circular cylinder. This results in a more homogeneous distribution of the mechanical stress in the film and thus, among other things, a lower distortion factor when the array is in operation.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a shaped body or shaped element 8 is arranged between the strip 1 and the carrier 2.
  • This shaped element 8 has the purpose of determining the shape in which the film of the strip 1 is bulged.
  • the shaped element 8 is therefore geometrically adapted to this shape and is arranged such that only negligible mechanical stress occurs in the film of the strip 1.
  • the shape of the curvature is set to one to two thirds of the free length of the strips 1.
  • 5 shows, for example, an arrangement in which the curvature in the area of the sound radiation has a constant radius of curvature due to a cylindrical shaped body.
  • the shaped element 8 supports here in essentially only the area around the vertex of the curvature of the film.
  • the radius of curvature in the area of the concave curvature (lateral fixation) therefore results from the distance between the lateral fixation points.
  • the shaped element 8 is preferably elastic and has acoustically damping properties, z. B. a foam comes into question.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the strips 1 are fastened to the carrier 2 not by gluing but by clamping elements 9.
  • the top of the carrier 2 can form a counterpart to these clamping elements 9.
  • This counterpart lower clamping element
  • This counterpart can in particular have a correspondingly adapted surface shape.
  • a guide bar as in FIG. 3 can be integrated here.
  • the upper clamping elements 9 are adapted to the width of the strips 1.
  • the carrier 2 is preferably designed to be acoustically damping. As a result, the individual elements of the array are acoustically decoupled from one another.
  • the clamping elements 9 can also be used to contact the metallization of the respective strip present on the upper side 4.
  • the strips can also be fastened with further sections 6 in the middle on the carrier 2, so that they are curved several times and the respective curvatures are hat-shaped.
  • the distance between the fixing points is at most twice as large as the maximum distance of the strip 1 from the carrier 2.
  • the distances of the fixing points or the distances d of the points of maximum distance of the strip from the carrier and this maximum distance h are in FIG. 7 drawn.
  • grooves 10 or grooves are additionally provided in the carrier 2.
  • guide webs 7 can also be provided on the inside of the strips in addition to the fixed sections, in particular also between the middle sections 6, for changing the shape of the curvature. These guide webs 7 are otherwise arranged analogously to FIG. 3.
  • FIG. 9 shows a section of the transducer according to the invention in cross section, in which it can be seen that the metallization on the underside 5 of the strip 1 can be interrupted in the area of the fixing points.
  • the sections 3, 6 with which the strip is fastened to the carrier 2 are free of the metallization on the underside 5.
  • the metallization is then contacted by means of specially provided contact wires 11, which, for. B. are guided through openings in the carrier 2 to the outside.
  • 10 shows a converter according to the invention in a perspective top view. Five strips 1 are shown on a carrier 2.
  • the contact wires 11 are laterally guided to solder pins in a housing 12.
  • the connection of the contact wires 11 to the metallizations corresponds, for. B. the representation of Fig. 1st
  • the array according to the invention is suitable for complex measurement tasks such as object identification or acoustic image processing in the industrial field.
  • the main advantages are the large bandwidth, which is a prerequisite for high local resolution, as well as the possibility of great variability in the geometry of the transducer and the resulting electroacoustic properties.
  • An advantage over known airborne sound arrays based on polymer films is the extremely low manufacturing outlay and the very good ratio of active transducer area to the overall dimensions of the array, so that hybrid integration is also possible.

Abstract

Ultrasonic transducer in which strips (1), metallised on both sides, of piezoelectric polymer film are arranged parallel to one another along a straight line adjacent to one another on a support (2) which is flat at least in sections, and sections (3) in each case at the ends of these strips (1) are fixed flatly on the surface of the support (2) so close together that the strip (1) is bulged forwards in the shape of a hat, and in which the strips are mechanically decoupled from one another and are electrically insulated with respect to one another. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftultraschall-Wandlerarray mit dünnen Schalen aus piezoelektrischer Polymerfolie mit den Merkmalen des Anspruches 1.The present invention relates to an air-ultrasonic transducer array with thin shells made of piezoelectric polymer film with the features of claim 1.

In der industriellen Luftultraschall-Meßtechnik gewinnen komplexe Meßprobleme immer mehr an Bedeutung. Hierzu zählen beispielsweise die Objektidentifizierung anhand von Echoprofilauswertung oder auch die Erkennung lateraler Strukturen von Objekten durch punktweises Abtasten ihrer Oberfläche. Die letztere Aufgabe erfordert Schallsensoren, mit denen ein gerichteter Schallstrahl mit hoher Dynamik und hoher örtlicher Auflösung in einer Ebene oder im Raum bewegt werden kann.In industrial air ultrasound measurement technology, complex measurement problems are becoming increasingly important. These include, for example, object identification based on echo profile evaluation or the detection of lateral structures of objects by scanning their surface point by point. The latter task requires sound sensors with which a directed sound beam can be moved in a plane or in space with high dynamics and high local resolution.

Bekannt sind Luftultraschall-Wandlerarrays nach dem elektrostatischen Prinzip. Sie bestehen aus ebenen, parallel eingespannten, streifenförmigen Membranen. Sie besitzen eine hohe Meßempfindlichkeit sowie große Bandbreite und weisen ein sehr geringes Übersprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen auf. Für die Praxis erweisen sich die Notwendigkeit einer elektrostatischen Vorspannung sowie die Empfindlichkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit als nachteilig. Als weiterer Nachteil ist der hohe fertigungstechnische Aufwand anzusehen, insbesondere wenn ein großer Variationsbereich der Wandlereigenschaften gefordert wird.Air ultrasonic transducer arrays based on the electrostatic principle are known. They consist of flat, parallel, strip-shaped membranes. They have a high sensitivity and wide bandwidth and have very little crosstalk between adjacent transducer elements. In practice, the necessity of an electrostatic bias and the sensitivity to dust and moisture prove to be disadvantageous. Another disadvantage is the high manufacturing outlay, particularly when a large range of variation in the converter properties is required.

Bekannt sind außerdem piezokeramische Schichtwandler, die auch zu Arrays angeordnet werden können. Derartige Wandler sind sehr robust, die Breite der Einzelelemente kann in der Ebene, in welcher der Schallstrahl geschwenkt werden soll, klein gegenüber der Schallwellenlänge gewählt werden. Dies ist Voraussetzung für einen großen akustischen Öffnungswinkel eines einzelnen Elementes des Arrays und damit auch für einen großen Ablenkwinkel des Schallstrahles. Als nachteilig erweisen sich vor allem die geringe Bandbreite der Wandler und das relativ starke Übersprechen zwischen eng benachbarten Einzelelementen. Eine ausreichende Dämpfung kann hier nur mit einem größeren Abstand der Einzelelemente erkauft werden, so daß der maximale Ablenkwinkel des Schallstrahles verringert wird.Piezoceramic layer transducers are also known, which can also be arranged in arrays. Such transducers are very robust, the width of the individual elements in the plane in which the sound beam is to be pivoted can be chosen to be small compared to the sound wavelength. This is a prerequisite for a large acoustic opening angle of an individual element of the array and thus also for a large one Deflection angle of the sound beam. The low bandwidth of the converters and the relatively strong crosstalk between closely adjacent individual elements have proven to be disadvantageous. Adequate damping can only be bought with a larger distance between the individual elements, so that the maximum deflection angle of the sound beam is reduced.

Bekannt sind außerdem Luftschallwandler mit gewölbter Piezopolymerfolie (s. z. B. US-A-3 832 580; M. Tamura e. a.: "Electroacoustic transducers with high polymer films" in J. Audio Eng. Soc. 23, 21 - 26 (1975); F. Micheron: "Dome-shaped piezo polymer electroacoustic transducers" in Ferroelectrics 51, 143 - 150 (1983)). Die Form der Wölbung ist zumeist ein Kegelschnitt, der Rand der Folie ist jeweils tangential eingespannt. Diese Wandler verfügen über eine große Bandbreite, die auch die Abstrahlung von Quasi-Einzelimpulsen erlaubt. Bei auf der Basis solcher Wandler konzipierten Arrays ist das Übersprechen zwischen den Einzelelementen gering. Die Breite der Einzelelemente kann zudem weitgehend unabhängig von der nutzbaren Ultraschallfrequenz gewählt werden, so daß Arrays mit variablen Ablenkbereichen realisierbar sind. Nachteilig ist, daß die tangentiale Randeinspannung entsprechend geometrisch angepaßte Bauteile erfordert. Dies führt zu einem erhöhten Aufwand, wenn die Geometrie des Wandlers verändert werden soll. Außerdem sind flächenhafte Arrays nur mit einem vergleichsweise großen Abstand der Einzelelemente herstellbar, so daß nur ein sehr geringer Ablenkbereich für den Schallstrahl möglich ist.Also known are airborne sound transducers with curved piezo polymer film (see, for example, US Pat. No. 3,832,580; M. Tamura ea: "Electroacoustic transducers with high polymer films" in J. Audio Eng. Soc. 23 , 21-26 (1975); F Micheron: "Dome-shaped piezo polymer electroacoustic transducers" in Ferroelectrics 51 , 143-150 (1983)). The shape of the curvature is usually a conic section, the edge of the film is clamped tangentially. These converters have a wide range, which also allows the emission of quasi-single pulses. In arrays designed on the basis of such transducers, crosstalk between the individual elements is low. The width of the individual elements can also be chosen largely independently of the usable ultrasound frequency, so that arrays with variable deflection areas can be realized. It is disadvantageous that the tangential edge clamping requires correspondingly geometrically adapted components. This leads to increased effort when the geometry of the transducer is to be changed. In addition, flat arrays can only be produced with a comparatively large distance between the individual elements, so that only a very small deflection area for the sound beam is possible.

Bekannt sind außerdem Luftschallwandler mit einer Zusammenhängenden mehrfach gewölbten Piezopolymerfolie, bei denen die Einzelwölbungen durch Haltestege ausgeformt sind. Die Längsabmessungen derartiger Wandler sind stets groß gegenüber dem Wölbungsradius. Die sich daraus ergebende gerichtete Schallabstrahlung in der Ebene der Wölbungsachse ist für die Realisierung von Arrays ungeeignet. Ein prinzipieller Nachteil ist in dem erhöhten Aufwand zur Positionierung und Fixierung der Haltestege und in der Notwendigkeit von geometrisch angepaßten Unterstützungskörpern für die Ausformung der Einzelwölbungen zu sehen.Also known are airborne sound transducers with a coherent, multi-arched piezopolymer film, in which the individual curvatures are formed by retaining webs. The longitudinal dimensions of such transducers are always large compared to the radius of curvature. The resulting directional sound radiation in the plane of the bulge axis is unsuitable for the implementation of arrays. A fundamental disadvantage is the increased effort for positioning and fixing to see the retaining webs and the need for geometrically adapted support bodies for the shaping of the individual curvatures.

Bekannt sind außerdem Wandler mit zusammenhängender Piezopolymerfolie, bei denen die Mehrfachwölbung in der Form eines Welldaches mit abwechselnden konvexen und konkaven Krümmungen gleicher Radien hergestellt wird. Nachteilig ist hierbei ebenfalls die relativ große Längsausdehnung. Ein weiterer Nachteil ist der große Abstand der Scheitelpunkte der Wölbungen sowie die durchgehend beidseitige Metallisierung der Folie. In den Bereichen der Fixierung wirkt die Folie als parasitäre Kapazität, so daß der Wirkungsgrad des Wandlers verschlechtert wird.Also known are transducers with a coherent piezopolymer film, in which the multiple curvature is produced in the form of a corrugated roof with alternating convex and concave curvatures of the same radius. Another disadvantage is the relatively large longitudinal extent. Another disadvantage is the large distance between the vertices of the arches and the continuous metallization of the film on both sides. In the areas of the fixation, the film acts as a parasitic capacitance, so that the efficiency of the converter is impaired.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler, insbesondere als Array, anzugeben, der in unterschiedlichen Ausgestaltungen einfach herstellbar ist und einen großen Ablenkwinkel der Schallstrahlung und eine große Variabilität hinsichtlich Frequenzbereich und abgestrahlter Signalform garantiert.The object of the present invention is to provide an ultrasound transducer, in particular as an array, which can be easily manufactured in different configurations and which guarantees a large deflection angle of the sound radiation and a large variability in terms of frequency range and emitted signal shape.

Diese Aufgabe wird mit dem Wandler mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the converter with the features of claim 1. Further configurations result from the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Luftultraschall-Wandlerarray besteht aus mehreren gleichartigen, hutförmig gewölbten, mechanisch entkoppelten beidseitig metallisierten Streifen aus einer piezoelektrischen Polymerfolie. Die Streifen sind parallel zueinander ausgerichtet und längs einer Geraden nebeneinander angeordnet. Kurze Abschnitte an den Enden der Streifen sind auf einem zumindest abschnittsweise ebenen Träger fixiert, wobei der Abstand der Fixierungspunkte kleiner ist als die Länge eines Streifes, so daß sich aufgrund der Steifigkeit der Polymerfolie eine hutförmig ausgebildete Wölbung des Streifens ergibt. Der Träger besitzt akustisch dämpfende Eigenschaften.The air-ultrasound transducer array according to the invention consists of several identical, hat-shaped, mechanically decoupled strips metallized on both sides from a piezoelectric polymer film. The strips are aligned parallel to one another and arranged next to one another along a straight line. Short sections at the ends of the strips are fixed on a support that is at least sectionally flat, the distance between the fixing points being smaller than the length of a strip, so that a hat-shaped curvature of the strip results due to the rigidity of the polymer film. The carrier has acoustic damping properties.

Die Streifen sind mechanisch voneinander entkoppelt. Die Folie wird vorzugsweise durch Kleben auf den Träger befestigt. Die befestigten Abschnitte verlaufen daher kongruent zu der Oberfläshe des Trägers, an die sie sich anschmiegen. An den Befestigungspunkten überlappen sich die Metallisierungen der Ober- und Unterseite eines Streifens vorteilhafterweise nicht, so daß eine parasitäre Kapazität in diesen Bereichen vermieden wird. Der elektrische Anschluß erfolgt vorzugsweise durch Anschlußdrähte, die im Bereich der seitlichen Fixierung, d. h. in den befestigten Abschnitten, auf jeden einzelnen Streifen aufgebracht sind. Die Metallisierungen der Ober- oder der Unterseiten der Streifen können für eine Vereinfachung der Kontaktierung elektrisch leitend miteinander verbunden sein, so daß für die auf diese Weise verbundenen Seiten nur ein gemeinsamer Anschluß zugeführt werden muß. Beispielsweise können die Unterseiten aller Streifen untereinander elektrisch verbunden sein durch eine entsprechende Metallisierung der Oberseite des Trägers. Die Foliestreifen sind so angeordnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen kleiner, vorteilhaft sehr viel kleiner, als deren Breite ist. Die Foliestreifen sind z. B. freitragend, das Verhältnis der Radien von konvexer Krümmung (in der Mitte des Streifens) und konkaver Krümmung (an den Enden der Streifen) wird durch den Abstand der Fixierungspunkte auf dem Träger bestimmt. Zusätzlich können aber auch Formelemente, z. B. Schaumstoffkörper, zwischen den Streifen und dem Träger angeordnet sein. Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers anhand der Figuren 1 bis 10.

Fig. 1
zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung im Querschnitt.
Fig. 2
zeigt die Anordnung in Aufsicht.
Fig. 3 bis 8
zeigen alternative Ausführungsformen im Querschnitt.
Fig. 9
zeigt einen vergrößerten Ausschnitt.
Fig. 10
zeigt eine perspektivische Aufsicht.
The strips are mechanically decoupled from one another. The film is preferably attached to the carrier by gluing. The fastened sections therefore run congruently to the surface of the carrier to which they nestle. At the attachment points, the metallizations of the top and bottom of a strip advantageously do not overlap, so that parasitic capacitance is avoided in these areas. The electrical connection is preferably made by connecting wires which are applied to each individual strip in the area of the lateral fixation, ie in the fastened sections. The metallizations of the upper or lower sides of the strips can be electrically conductively connected to one another to simplify the contacting, so that only a common connection has to be supplied for the sides connected in this way. For example, the undersides of all strips can be electrically connected to one another by a corresponding metallization of the top of the carrier. The film strips are arranged so that the distance between two adjacent strips is smaller, advantageously much smaller, than their width. The film strips are e.g. B. self-supporting, the ratio of the radii of convex curvature (in the middle of the strip) and concave curvature (at the ends of the strips) is determined by the distance between the fixing points on the carrier. In addition, however, shaped elements such. B. foam body, between the strips and the carrier. The ultrasound transducer according to the invention is described with reference to FIGS. 1 to 10.
Fig. 1
shows an arrangement according to the invention in cross section.
Fig. 2
shows the arrangement in supervision.
3 to 8
show alternative embodiments in cross section.
Fig. 9
shows an enlarged section.
Fig. 10
shows a perspective top view.

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Streifen 1 aus einer piezoelektrischen Polymerfolie dargestellt, die mit Abschnitten 3 an ihren Enden auf einem Träger 2, z. B. durch Aufkleben, befestigt ist. Die Oberseite 4 und die Unterseite 5 dieses Streifens 1 ist jeweils mit einer Metallisierung versehen. Die Richtung der Schallabstrahlung ist durch Pfeile gekennzeichnet. Außerdem sind die Anschlußkontakte eingezeichnet. In Fig. 2 ist dieser Wandler in Aufsicht dargestellt. Die nebeneinander parallel zueinander ausgerichteten Streifen 1 mit den fixierten Abschnitten 3 sind auf dem Träger 2 eingezeichnet. Der Abstand s dieser Streifen 1 untereinander ist bedeutend geringer als die Breite b eines Streifens.In Fig. 1 is a cross section 1 of a piezoelectric strip Polymer film shown, the sections 3 at their ends on a support 2, z. B. is attached by gluing. The top 4 and bottom 5 of this strip 1 is each provided with a metallization. The direction of the sound radiation is indicated by arrows. The connection contacts are also shown. In Fig. 2, this converter is shown in supervision. The strips 1 with the fixed sections 3, which are aligned next to one another parallel to one another, are shown on the carrier 2. The distance s between these strips 1 is significantly smaller than the width b of a strip.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt aus Fig. 1, bei dem zusätzlich seitlich der befestigten Abschnitte 3 Führungselemente oder Führungsstege 7 dargestellt sind. Dieser Führungssteg 7 kann durchgehend für alle Streifen 1 gemeinsam vorhanden sein. Durch den Führungssteg wird der Radius der konkaven Krümmung der Streifen (an der Fixierungsstelle) verkleinert, so daß die Form der Wölbung des Streifens z. B. näherungsweise ein Ausschnitt aus dem Mantel eines Kreiszylinders sein kann. Damit wird eine homogenere Verteilung der mechanischen Spannung in der Folie und damit unter anderem ein geringerer Klirrfaktor bei Betrieb des Arrays erzielt.FIG. 3 shows the cross section from FIG. 1, in which 3 guide elements or guide webs 7 are additionally shown to the side of the attached sections. This guide web 7 can be present in common for all strips 1. By the guide web, the radius of the concave curvature of the strips (at the fixing point) is reduced, so that the shape of the curvature of the strip z. B. can be approximately a section of the jacket of a circular cylinder. This results in a more homogeneous distribution of the mechanical stress in the film and thus, among other things, a lower distortion factor when the array is in operation.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwischen dem Streifen 1 und dem Träger 2 ein Formkörper oder Formelement 8 angeordnet ist. Dieses Formelement 8 hat den Zweck, die Form, in der die Folie des Streifens 1 vorgewölbt ist festzulegen. Das Formelement 8 ist daher geometrisch an diese Form angepaßt und ist so angeordnet, daß in der Folie des Streifens 1 nur eine vernachlässigbare mechanische Spannung auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen Wandler genügt es, wenn die Form der Wölbung auf ein bis zwei Drittel der freien Länge der Streifen 1 festgelegt wird. Fig. 5 zeigt beispielsweise eine Anordnung, bei der die Wölbung im Bereich der Schallabstrahlung durch einen zylindrischen Formkörper einen konstanten Krümmungsradius besitzt. Das Formelement 8 unterstützt hier also im wesentlichen nur den Bereich um den Scheitelpunkt der Wölbung der Folie. Der Krümmungsradius im Bereich der konkaven Krümmung (seitliche Fixierung) ergibt sich daher aus dem Abstand der seitlichen Fixierungspunkte. Das Formelement 8 ist vorzugsweise elastisch und besitzt akustisch dämpfende Eigenschaften, wobei z. B. ein Schaumstoff in Frage kommt.FIG. 4 shows an embodiment in which a shaped body or shaped element 8 is arranged between the strip 1 and the carrier 2. This shaped element 8 has the purpose of determining the shape in which the film of the strip 1 is bulged. The shaped element 8 is therefore geometrically adapted to this shape and is arranged such that only negligible mechanical stress occurs in the film of the strip 1. In the converter according to the invention, it is sufficient if the shape of the curvature is set to one to two thirds of the free length of the strips 1. 5 shows, for example, an arrangement in which the curvature in the area of the sound radiation has a constant radius of curvature due to a cylindrical shaped body. The shaped element 8 supports here in essentially only the area around the vertex of the curvature of the film. The radius of curvature in the area of the concave curvature (lateral fixation) therefore results from the distance between the lateral fixation points. The shaped element 8 is preferably elastic and has acoustically damping properties, z. B. a foam comes into question.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform gezeichnet, bei der die Streifen 1 nicht durch Aufkleben, sondern durch Klemmelemente 9 auf dem Träger 2 befestigt sind. Die Oberseite des Trägers 2 kann zu diesem Zweck ein Gegenstück zu diesen Klemmelementen 9 bilden. Dieses Gegenstück (unteres Klemmelement) kann insbesondere eine entsprechend angepaßte Oberflächenform besitzen. Insbesondere kann hier ein Führungssteg wie in Fig. 3 integriert sein. Die oberen Klemmelemente 9 sind an die Breite der Streifen 1 angepaßt. Vorzugsweise ist der Träger 2 akustisch dämpfend ausgebildet. Dadurch werden die Einzelelemente des Arrays untereinander akustisch entkoppelt. Die Klemmelemente 9 können auch der Kontaktierung der jeweils auf der Oberseite 4 vorhandenen Metallisierung des jeweiligen Streifens dienen.6 shows an embodiment in which the strips 1 are fastened to the carrier 2 not by gluing but by clamping elements 9. For this purpose, the top of the carrier 2 can form a counterpart to these clamping elements 9. This counterpart (lower clamping element) can in particular have a correspondingly adapted surface shape. In particular, a guide bar as in FIG. 3 can be integrated here. The upper clamping elements 9 are adapted to the width of the strips 1. The carrier 2 is preferably designed to be acoustically damping. As a result, the individual elements of the array are acoustically decoupled from one another. The clamping elements 9 can also be used to contact the metallization of the respective strip present on the upper side 4.

Zusätzlich zu Abschnitten 3 an den Enden der Streifen 1 können die Streifen auch mit weiteren Abschnitten 6 in der Mitte auf dem Träger 2 befestigt sein, so daß sie mehrfach gewölbt sind und die jeweiligen Wölbungen hutförmig ausgebildet sind. Der Abstand der Fixierungspunkte untereinander ist dabei höchstens doppelt so groß wie der maximale Abstand des Streifens 1 von dem Träger 2. Die Abstände der Fixierungspunkte bzw. die Abstände d der Punkte maximalen Abstandes des Streifens vom Träger und dieser maximale Abstand h sind in Fig. 7 eingezeichnet. In Fig. 8 sind zusätzlich Rillen 10 oder Nuten in dem Träger 2 vorgesehen. Diese Rillen 10, in denen die Abschnitte 3, 6 der Streifen befestigt sind, gestalten den Bereich der konkaven Krümmung derart, daß die hutförmige Wölbung der Streifen eine andere Form bekommt. Auf diese Weise kann z. B. erreicht werden, daß der Bereich der Schallabstrahlung der Streifen näherungsweise ein Ausschnitt eines Mantels eines Kreiszylinders ist. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 7 oder 8 mit mehreren fixierten Abschnitten können Führungsstege 7 auf den Innenseiten der Streifen neben den fixierten Abschnitten, insbesondere auch zwischen den mittleren Abschnitten 6, zur Veränderung der Krümmungsform vorgesehen sein. Diese Führungsstege 7 sind im übrigen analog zu der Fig. 3 angeordnet.In addition to sections 3 at the ends of the strips 1, the strips can also be fastened with further sections 6 in the middle on the carrier 2, so that they are curved several times and the respective curvatures are hat-shaped. The distance between the fixing points is at most twice as large as the maximum distance of the strip 1 from the carrier 2. The distances of the fixing points or the distances d of the points of maximum distance of the strip from the carrier and this maximum distance h are in FIG. 7 drawn. In FIG. 8, grooves 10 or grooves are additionally provided in the carrier 2. These grooves 10, in which the sections 3, 6 of the strips are fastened, shape the area of the concave curvature in such a way that the hat-shaped curvature of the strips takes on a different shape. In this way, e.g. B. be achieved that the area of the sound radiation of the strips approximately a section of a jacket Circular cylinder is. In the embodiment according to FIG. 7 or 8 with a plurality of fixed sections, guide webs 7 can also be provided on the inside of the strips in addition to the fixed sections, in particular also between the middle sections 6, for changing the shape of the curvature. These guide webs 7 are otherwise arranged analogously to FIG. 3.

Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Wandlers im Querschnitt, in dem erkennbar ist, daß die Metallisierung auf der Unterseite 5 des Streifens 1 im Bereich der Fixierungspunkte unterbrochen sein kann. Die Abschnitte 3, 6, mit denen der Streifen auf den Träger 2 befestigt ist, sind auf der Unterseite 5 frei von der Metallisierung. Die Kontaktierung der Metallisierung erfolgt dann mittels eigens vorgesehener Kontaktdrähte 11, die z. B. durch Öffnungen in dem Träger 2 hindurch nach außen geführt sind. In Fig. 10 ist ein erfindungsgemäßer Wandler in perspektivischer Aufsicht dargestellt. Es sind fünf Streifen 1 auf einem Träger 2 eingezeichnet. Die Kontaktdrähte 11 sind seitlich zu Lötstiften in einem Gehäuse 12 geführt. Der Anschluß der Kontaktdrähte 11 an die Metallisierungen entspricht z. B. der Darstellung von Fig. 1.FIG. 9 shows a section of the transducer according to the invention in cross section, in which it can be seen that the metallization on the underside 5 of the strip 1 can be interrupted in the area of the fixing points. The sections 3, 6 with which the strip is fastened to the carrier 2 are free of the metallization on the underside 5. The metallization is then contacted by means of specially provided contact wires 11, which, for. B. are guided through openings in the carrier 2 to the outside. 10 shows a converter according to the invention in a perspective top view. Five strips 1 are shown on a carrier 2. The contact wires 11 are laterally guided to solder pins in a housing 12. The connection of the contact wires 11 to the metallizations corresponds, for. B. the representation of Fig. 1st

Das erfindungsgemäße Array ist für komplexe Meßaufgaben wie Objektidentifikation oder akustische Bildverarbeitung im industriellen Bereich geeignet. Wesentliche Vorteile sind die große Bandbreite, die eine Voraussetzung für eine hohe örtliche Auflösung ist, sowie die Möglichkeit einer großen Variabilität der Geometrie des Wandlers und der daraus resultierenden elektroakustischen Eigenschaften. Vorteilhaft gegenüber bekannten Luftschall-Arrays auf der Basis von Polymerfolien ist der äußerst geringe fertigungstechnische Aufwand sowie das sehr gute Verhältnis von aktiver Wandlerfläche zu den Gesamtabmessungen des Arrays, so daß auch eine Hybrid-Integration möglich wird.The array according to the invention is suitable for complex measurement tasks such as object identification or acoustic image processing in the industrial field. The main advantages are the large bandwidth, which is a prerequisite for high local resolution, as well as the possibility of great variability in the geometry of the transducer and the resulting electroacoustic properties. An advantage over known airborne sound arrays based on polymer films is the extremely low manufacturing outlay and the very good ratio of active transducer area to the overall dimensions of the array, so that hybrid integration is also possible.

Claims (10)

Ultraschallwandler,
bei dem beidseitig mit Metallisierungen versehene Streifen (1) aus piezoelektrischer Polymerfolie parallel zueinander längs einer Geraden nebeneinander auf einem zumindest abschnittsweise ebenen Träger (2) angeordnet sind,
bei dem Abschnitte (3) an den Enden jeweils eines solchen Streifens (1) kongruent zur Oberfläche des Trägers (2) in so geringem Abstand voneinander fixiert sind, daß der betreffende Streifen (1) aus der Ebene des Trägers (2) vorgewölbt ist, und
bei dem alle Metallisierungen auf den dem Träger (2) abgewandten Oberseiten (4) der Streifen (1) von allen Metallisierungen auf den dem Träger (2) zugewandten Unterseiten (5) der Streifen (1) elektrisch isoliert sind und Mittel zur Kontaktierung der Metallisierungen vorgesehen sind.Ultrasonic transducer,
in which strips (1) of piezoelectric polymer film provided with metallizations on both sides are arranged parallel to one another along a straight line next to one another on an at least sectionally flat support (2),
in which sections (3) at the ends of such a strip (1) are fixed congruently to the surface of the carrier (2) at such a short distance from one another that the strip (1) in question is bulged out of the plane of the carrier (2), and
in which all metallizations on the upper sides (4) of the strips (1) facing away from the carrier (2) are electrically insulated from all metallizations on the lower sides (5) of the strips (1) facing the carrier (2) and means for contacting the metallizations are provided. Wandler nach Anspruch 1,
bei dem weitere Abschnitte (6) der Streifen (1) kongruent zur Oberfläche des Trägers (2) auf dem Träger (2) befestigt sind, so daß die Streifen (1) sich aus der Ebene des Trägers (2) jeweils mehrfach vorwölben.Converter according to claim 1,
in which further sections (6) of the strips (1) are attached congruently to the surface of the carrier (2) on the carrier (2), so that the strips (1) bulge out of the plane of the carrier (2) several times. Wandler nach Anspruch 2,
bei dem die Punkte maximalen Abstandes (h) der Streifen (1) von dem Träger (2) höchstens doppelt so weit wie dieser Abstand (h) voneinander entfernt sind.Converter according to claim 2,
at which the points of maximum distance (h) of the strips (1) from the carrier (2) are at most twice as far as this distance (h) from each other. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem der Abstand (s) zwischen zwei unmittelbar nebeneinander angeordneten Streifen (1) kleiner als die Breite (b) eines Streifens (1) ist.Converter according to one of claims 1 to 3,
in which the distance (s) between two strips (1) arranged directly next to one another is smaller than the width (b) of a strip (1). Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem in Richtung der Geraden, längs derer die Streifen (1) angeordnet sind, seitlich der fixierten Abschnitte (3, 6) Führungsstege (7) zwischen den Streifen (1) und dem Träger (2) angeordnet sind und
bei dem diese Führungsstege (7) die Form, in der die Streifen (1) vorgewölbt sind, beeinflussen.Converter according to one of claims 1 to 4,
in which, in the direction of the straight line along which the strips (1) are arranged, to the side of the fixed sections (3, 6) Guide webs (7) between the strips (1) and the carrier (2) are arranged and
in which these guide webs (7) influence the shape in which the strips (1) are bulged. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die Form, in der ein Streifen (1) zwischen zwei befestigten Abschnitten (3, 6) vorgewölbt ist, auf eine Länge zwischen einem Drittel und zwei Dritteln der zwischen diesen Abschnitten (3, 6) gemessenen Länge des Streifens (1) durch ein zwischen dem Streifen (1) und dem Träger (2) angeordnetes Formelement (8) festgelegt ist.Converter according to one of claims 1 to 5,
in which the shape in which a strip (1) is bulged between two fixed sections (3, 6) extends to a length between one third and two thirds of the length of the strip (1) measured between these sections (3, 6) a shaped element (8) arranged between the strip (1) and the carrier (2) is fixed. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die Abschnitte (3, 6) durch Kleben befestigt sind.Converter according to one of claims 1 to 6,
in which the sections (3, 6) are fixed by gluing. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die Abschnitte (3, 6) durch Klemmelemente (9), deren Breite an die Breite der Streifen (1) angepaßt ist, befestigt sind.Converter according to one of claims 1 to 6,
in which the sections (3, 6) are fastened by clamping elements (9), the width of which is adapted to the width of the strips (1). Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem der Träger (2) an den Stellen, an denen jeweils Abschnitte (3, 6) von Streifen (1) befestigt sind, Rillen (10) oder Nuten aufweist.Converter according to one of claims 1 to 8,
in which the carrier (2) has grooves (10) or grooves at the points at which sections (3, 6) of strips (1) are attached. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Metallisierungen auf den dem Träger (2) zugewandten Unterseiten (5) der Streifen (1) nur in Bereichen zwischen den befestigten Abschnitten (3, 6) vorhanden sind.Converter according to one of claims 1 to 9,
in which the metallizations on the underside (5) of the strips (1) facing the carrier (2) are only present in areas between the fastened sections (3, 6).
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