DE19960323A1

DE19960323A1 - Device for generating ultrasonic waves

Info

Publication number: DE19960323A1
Application number: DE1999160323
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-21
Also published as: WO2001043889A1

Abstract

The invention relates to a device for generating ultrasonic waves, whereby two electrodes (2, 3) are flatly and separately placed on one side of the piezoelectric ceramic (1) and said electrodes placed opposite a conductive layer (4) on the other side of the piezoelectric ceramic disk.

Description

State of the art

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.The invention is based on a device for generating of ultrasonic waves according to the genus of the main claim. There are already known ultrasonic transducers that Ultrasonic transmitters and receivers function, and at those the excitation of a vibrating membrane using a Piezoceramic disk is made. Taking advantage of the Piezoceramic disc serves to effect convert electrical energy into mechanical and vice versa. For this purpose, the piezoceramic disk has both on the top, as well as a flat one on the bottom Electrode. Now one on the two electrodes sufficiently high electrical voltage applied, deformed the disc due to the piezo effect. Will the Piezoceramic disk attached to a membrane, so this membrane deflected accordingly. On the other hand, the Membrane deflected due to incoming sound waves, so an electrical voltage can be applied to the electrodes be tapped. The membrane and the piezoceramic disc are glued flat. So that the membrane facing side of the piezoceramic disc is not easy Be contacted electrically. As a solution to the problem the electrical contact is a conductive one Connection between the membrane and that of the membrane assigning electrode known. However, this is it required to use a conductive adhesive that is more expensive than conventional glue. Secondly, it is known to extend the electrode facing the membrane and on the side of the membrane facing away from the membrane Lead piezoceramic disk so that both electrodes from one side of the piezoceramic disk can be contacted. However, this is in the manufacture of the piezoceramic disc to operate a high manufacturing cost. By both However, contacting is required, for example through a compensation capacitor with a negative Temperature coefficient, a strong, positive Temperature coefficient of the capacitance of the piezo element compensate. For tolerance of capacity of the piezo element or the compensation capacitor an inductance adjustment may also be required to be provided on a transformer that is between a Voltage source and the piezo element for generating a required high voltage is arranged.

Advantages of the invention

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.The inventive device with the features of Main claim has the advantage that without greater manufacturing effort one-sided contacting the Piezoceramic disc is made possible. A contact a membrane, in particular an installation in a cup-shaped Ultrasonic transducer housing is thereby facilitated. Opposite a piezoceramic disc, the one Umkontaktierung for the connection of a second electrode has, the area usable for the piezo effect be enlarged. As a result, the performance of a Piezo element increased for a given transmission area become. Furthermore, by doing without Umkontaktierung a simplified structuring of the Electrode surface possible. Furthermore, the capacity of the Piezoceramic disk by the arrangement according to the invention a quarter reduced. As a result, the bandwidth of the Resonant circuit increased from the capacity of the Piezoceramic disc and the inductance of the transformer and loss resistance. The frequency bandwidth, in who gets the resonance big enough that the Piezoceramic disk can work as an ultrasonic transducer is thereby increased. The higher bandwidth means that Device for generating ultrasonic waves less sensitive to temperature fluctuations, which the Capacitance of the piezoceramic disc can affect. In this way, on the one hand, a compensation capacitor can be used and on the other hand, there is no inductance adjustment become. In addition, with a wide range, the Transition and decay times of the sound pulse z. B. at a Distance measurement. This allows the distance between two Measurements are reduced and the measuring range is shorter Distances are extended as the cooldown of the Vibration of the membrane after sending the measuring range shorter distances are limited.

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.By the measures listed in the subclaims advantageous developments and improvements in Main claim specified device for generating Ultrasonic waves possible. It is particularly advantageous electrical polarization in the first and second The area of the piezoceramic disk in opposite directions, since this results in a rectified deflection of both Areas of the piezoceramic disc is made possible.

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.It is also advantageous to use the secondary side Center tap of a transformer with which the for the Operation of the piezoceramic disc requires high voltage is generated to ground because in this way a symmetrical control of the two electrodes achieved becomes.

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.It is also advantageous that on the second side surface arranged, conductive layer with the vibration membrane to glue, as a simple way Transmission of vibrational energy from the Piezoceramic disk to the vibration membrane is possible.

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.It is also advantageous that the vibration membrane the conductive layer is because in this way on the Coating one side of the piezoceramic disc with a conductive layer can be dispensed with.

drawing

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.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. They show: Fig. 1A is a plan view of the top of the piezo-ceramic disk according to the invention, Fig. 1b is a side view, Fig. 1c is a view of the underside, Fig. 2 shows a first circuit arrangement for operating an ultrasonic transducer with an inventive piezo-ceramic disk, Fig. 3 a second circuit arrangement for operating an ultrasonic transducer according to the invention and FIG. 4 is a side view of a section through an ultrasonic transducer with a piezoceramic disk according to the invention.

Description of the embodiment

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.A piezoceramic disk 1 is shown in FIGS. 1a, 1b and 1c. In FIG. 1 a, the piezoceramic disk 1 is shown in a top view, in FIG. 1 b in a side view and in FIG. 1 c in a top view from the direction opposite the top view in FIG. 1 a. As shown in FIG. 1a, a first electrode 2 and a second electrode 3 are applied to the piezoceramic disk 1 . The first and the second electrodes 2 , 3 do not completely cover the piezoceramic disk, but to the edge of the piezoceramic disk 1 there is a first annular edge region 7 , by which the surface of the first and second electrodes 2 , 3 is separated from the edge of the piezoceramic disk. There is also a separation region 5 between the first electrode 2 and the second electrode 3 . The piezoceramic disk is separated by a dashed line 6 in a region of the first electrode 2 and in a region of the second electrode 3 . The first and second electrodes 2 , 3 are, for example, applied to the piezoceramic disk in a metallic vapor deposition process and preferably consist of silver or nickel. The electrodes can be electrically contacted by an electrical lead, for example by soldering or by gluing. The piezoceramic disc 1 preferably consists of barium titanate, lead titanate or lead zirconate titanate. In a preferred exemplary embodiment, the piezoceramic disk has a thickness in a range from 0.1 mm to 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.In Fig. 1b in the side view of a first side surface 10 of the piezo-ceramic disk 1 can be seen, on which the first electrode 2 and second electrode 3 are applied. Here and in the following, the same reference symbols also denote the same elements. Furthermore, the first annular edge region 7 and the separation region 5 can also be seen . The piezoceramic disk 1 also has a second side surface 20 , which lies opposite the first side surface 10 . A conductive layer 4 is applied to the second side surface 20 . The conductive layer 4 likewise does not completely cover the second side face 20 , but there is a second annular edge region 8 in which the piezoceramic disk 1 is not covered. The conductive layer 4 is preferably applied in the same way and preferably consists of the same material from which the first electrode 2 or the second electrode 3 is made. The piezoceramic disk has a first region 11 , which comprises at least the first electrode 2 , and a second region 12 , which comprises at least the second electrode 3 . A boundary between the first area 11 and the second area 12 runs in the separating area 5 , in the exemplary embodiment shown in FIG. 1b along the dashed line 6 . In the first region 11 , the piezoceramic disk 1 has an electrical polarization which is opposite to the electrical polarization in the second region 12 . For example, the polarization direction of the electrical polarization points in the first region from the first electrode 2 to the conductive layer 4 and in the second region from the electrical layer 4 to the second electrode 3 . This ensures that when an electrical voltage with an opposite sign is applied between the first electrode 2 and the conductive layer 4 and the second electrode 3 and the conductive layer 4, the piezo-ceramic disk 1 is mechanically deflected in one direction. In FIG. 1c, the conductive layer 4 is shown disposed on the piezo-ceramic disk. Furthermore, the second annular edge area 8 is visible.

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.The ring-shaped edge regions 7 , 8 on the first and the second side surface 10 , 20 serve to avoid electrical flashover between the first and the second electrode 2 , 3 on the one hand and the conductive layer 4 on the other hand. In an embodiment not shown in the drawing, however, it is also possible to dispense with the configuration of edge regions and to extend the first and second electrodes 2 , 3 or the conductive layer to the edge of the first and second side surfaces 10 , 20 .

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 addition to a round design of the piezoceramic disk 1 , other embodiments are also possible, for. B. an oval version, but is not shown in the drawing. The shape of the piezoceramic disk 1 can be adapted to the shape of the membrane on which the piezoceramic disk 1 is attached in a preferred embodiment. It is also possible to operate the piezoceramic disk without arranging it on a vibration membrane.

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.In FIG. 2 shows a circuit arrangement for the operation of a device according to the invention for the generation of ultrasonic waves. The piezoceramic disk 1 with the first electrode 2 , the second electrode 3 and the conductive layer 4 is fastened to a bottom 32 of the converter pot 30 on a converter pot 30 , which is shown in a cross section. The transducer pot also has a wall 31 which is thickened relative to the bottom 32 . The first electrode 2 is connected to a first connection 42 of a transformer 40 on the secondary side. The second electrode 3 is connected to a first connection 42 of the transformer 40 on the secondary side. A center tap 44 of the transformer 40 is connected to ground 45 . A first connection 46 on the primary side of the transformer is connected to a first connection 51 of an AC voltage source 50 . A second connection 41 on the primary side of the transformer 40 is connected to a second connection 52 of the AC voltage source 50 . For evaluation, a voltage measuring device 60 is connected with a first connection 62 to the second electrode 3 or the first connection 42 of the transformer 40 on the secondary side. A second connection 61 of the voltage measuring device 60 is connected to ground 45 . In an exemplary embodiment not shown in the figure, it is also possible to connect the second connection 61 to the second connection 43 on the secondary side, as a result of which a measurement that is independent of a ground potential is possible.

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.Further control or evaluation circuits, for example for the use of the ultrasonic transducer according to the invention in a device for determining a distance of a vehicle from an obstacle, are not shown in FIG. 2.

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.An AC voltage generated by the AC voltage source 50 is transformed into a higher voltage via the transformer 40 . In a preferred exemplary embodiment, the higher voltage is in a range from 50 V to 100 V. This higher voltage is applied between the first electrode 2 and the second electrode 3 . The first electrode 2 forms a capacitance in the form of a plate capacitor with the second conductive layer 4 due to the separation by the piezoceramic disk 1 . Compared to an embodiment according to the prior art, in which electrodes of approximately the same size are arranged on both sides of the piezoceramic disk, the plate area of the capacitance when the first electrode 2 is arranged relative to the conductive layer 4 is approximately the same size as the first electrode 2 and the second electrode 3 and neglecting marginal field scatter about half as large. Likewise, the capacitance of an arrangement of the second electrode 3 with respect to the conductive layer 4 is half as large as compared to a capacitance in an embodiment according to the prior art with electrodes of the same size, which almost completely cover the piezo ceramic disk. Via the conductive layer 4, the capacitance between the first electrode 2 and the conductive layer 4 and between the second electrode 3 and the conductive layer 4 is connected with each other; the two capacitors are connected in series. The series connection of the two capacitors results in a capacitance of the arrangement according to the invention of approximately a quarter of the capacitance in a conventional arrangement with electrodes of almost the same size on both sides.

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.The electric field generated by the charging of the capacitances acts on the piezoceramic disk 1 between the first and second electrodes 2 , 3 and the conductive layer and sets them in mechanical vibrations. These vibrations are passed on to the floor 32 , which functions as a vibration membrane and emits ultrasonic waves.

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. If no voltage is applied by the AC voltage source 50 , but the bottom 32 of the transducer pot 30 is excited to vibrate by incoming sound waves, then this vibrational energy is transmitted to the piezoceramic disk 1 and converted there into an electrical voltage by the piezo effect, which leads to the voltage measuring device 60 is directed. This voltage value is available here for an evaluation circuit, which is not shown in FIG. 2. The use of the transducer pot 30 enables easy installation, for. B. on a motor vehicle for distance measurement. The thickened wall 31 serves to decouple vibrations from the vibrations of the bottom 32 relative to a holder of the transducer pot 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 FIG. 3, another embodiment of a device according to the invention for the generation of ultrasonic waves. The device shown in FIG. 3 differs from the device described in FIG. 2 in that no additional conductive layer is applied to the second side surface 20 of the piezoceramic disk 1 . Rather, the bottom 32 of the converter pot 30 serves as a conductive layer. For this purpose, the transducer pot 30 is made of a conductive material, e.g. B. made of aluminum. The piezoceramic disk 1 is connected to the transducer pot with an adhesive layer 70 . The adhesive layer 70 is to be chosen as thin as possible in order to make the capacity of the adhesive layer 70 as large as possible. Because it is a series connection of capacities, the reciprocal of the capacity has to be added twice. If the adhesive layer 70 has a very large capacity, its capacity for the series connection of the two capacitances between the first electrode 2 and the bottom 32 and the bottom 32 and the second electrode 3 can be neglected.

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.In FIG. 4, a device according to the invention is designed for generating ultrasonic waves, which is suitable for use in a motor vehicle, in particular for measuring distances to obstacles. The piezoceramic disk 1 is on a bottom 81 of a transducer pot 80 , a wall 82 being arranged on the transducer pot. The bottom 81 is the vibration membrane of the converter pot. Furthermore, the wall 82 of the transducer pot 80 , which is designed in the form of a ring, is provided with a thickening 86 with which the wall 82 engages in a decoupling ring 83 which, for. B. is fixed in a bumper of a motor vehicle. An electrical connection 88 is attached to the piezoceramic disk via a contact surface 87 . In the section chosen in FIG. 4, only one electrical connection 88 , ie either the connection to the first electrode 2 or the second electrode 3, is visible. The converter pot 80 is filled with a damping means 85 . The piezoceramic disk 1 can be designed according to FIG. 2 or according to FIG. 3.

Claims

1. Device for generating ultrasound waves with a piezoceramic disk, which has two side surfaces, characterized in that on a first side surface ( 10 ) a first and a second electrode ( 2 , 3 ) are arranged flat, that the first and the second electrode ( 2 , 3 ) are electrically contactable, that a conductive layer ( 4 , 32 , 81 ) is arranged on a second side surface ( 20 ) at least in a predominant area of the second side surface ( 20 ), that the piezoceramic disc ( 1 ) at least in one first region ( 11 ) between the first electrode ( 2 ) and the second side surface ( 20 ) a first electrical polarization and at least in a second region ( 12 ) between the second electrode ( 3 ) and the second side surface ( 20 ) a second electrical polarization having.

2. Device according to claim 1, characterized in that the first and the second electrical polarization are directed in opposite directions.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoceramic disc ( 1 ) is arranged on a vibration membrane ( 32 , 81 ).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second electrode ( 2 , 3 ) are approximately the same size.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode ( 2 ) is connected to a first secondary connection ( 42 ) of a transformer ( 40 ) and the second electrode ( 3 ) to a second secondary connection of the transformer ( 40 ) is connected and an AC voltage can be applied between the first electrode ( 2 ) and the second electrode ( 3 ) via the transformer.

6. The device according to claim 5, characterized in that a secondary-side center tap ( 44 ) of the transformer ( 40 ) is connected to ground ( 45 ).

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a on the second side surface ( 20 ) arranged conductive layer ( 4 ) is glued to the vibration membrane ( 32 , 81 ).

8. Device according to one of claims 1-6, characterized in that the vibration membrane ( 32 , 81 ) is the conductive layer.

9. The device according to claim 8, characterized in that the piezoceramic disc ( 1 ) on the vibration membrane ( 32 , 81 ) is glued.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoceramic disk is arranged in a converter pot ( 30 , 80 ).