CH655023A5

CH655023A5 - Ultraschallwandler.

Info

Publication number: CH655023A5
Application number: CH577/82A
Authority: CH
Inventors: Dieter Schmidt; Rolf Engler
Original assignee: Deutsche Forsch Luft Raumfahrt
Priority date: 1981-01-31
Filing date: 1982-01-30
Publication date: 1986-03-27
Also published as: GB2092409B; US4432237A; FR2499347A1; FR2499347B1; DE3103357A1; DE3103357C2; GB2092409A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler in Form eines aus einer Gegenelektrode und einer darauf aufliegenden, mit einem Spannring gehaltenen einseitig metallisierten Kunststoffolie gebildeten elektrischen Kondensators, wobei die Gegenelektrode und die Kunststoffolie elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind.

Solche Ultraschallwandler sind bekannt und werden sehr häufig zu Laufzeitmessungen bei Strömungsfelduntersuchungen in Windkanälen benutzt. Sie weisen ein relativ grosses Gehäuse auf und erfordern umfangreiche Halterungen und besondere Stromzuführungen. Die erhebliche räumliche Ausdehnung eines solchen Ultraschallwandlers und der zugehörigen Hilfseinrichtungen führt im Windkanal häufig zu Störungen, die die Messergebnisse unbrauchbar machen. Darüber hinaus müssen zum Ausmessen eines Strömungsfeldes mehrere aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden, zwischen denen der Ultraschallwandler verschoben werden muss. Auf diese Weise lassen sich lediglich stationäre

Strömungen oder solche instationären Vorgänge untersuchen, bei denen dank Kenntnis des zu erwärtenden zeitlichen Ablaufes des Strömungsvorgangs (z.B. in dem Spezialfall von Periodizität) der Messvorgang zum jeweils richtigen Zeitpunkt ausgelöst werden kann. Dabei sind relativ lange Messzeiten in Kauf zu nehmen. Die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Ultraschallwandlers sind demnach stark auf Spezialfälle eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Mängel zu beheben und einen Ultraschallwandler zu schaffen, dessen räumliche Abmessungen so gering sind, dass es im Windkanal allenfalls zu vernachlässigbaren Störungen kommt, und der keine umfangreichen Halterungen und Stromzuführungen benötigt, und der so ausgebildet ist, dass sich mehrere Ultraschallwandler gleichzeitig nebeneinander verwenden lassen, die sich dabei gegenseitig nicht behindern und zugleich simultane Messungen in einem Strömungsfeld ermöglichen.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Gegenelektrode und der die davon elektrisch isolierte Kunststoffolie haltende Spannring elektrisch voneinander isoliert auf einer Leiterplatte befestigt und jeweils mit einem auf dieser vorgesehenen Leiterbahnabschnitt elektrisch leitend verbunden sind. Eine solche Ausbildung des Ultraschallwandlers erlaubt geringste Abmessungen, wobei gleichzeitig auf ein besonderes Gehäuse verzichtet werden kann, da dieses hier durch den Spannring und die Leiterplatte gebildet wird. Die Leiterplatte übernimmt dabei zugleich die Funktion einer Halterung und die der Stromzuführung. Komplizierte Halterungen und Verkabelungen sind daher nicht mehr erforderlich. Ausserdem kann auf besondere Isolierkörper verzichtet werden, die die Gegenelektrode vom Gehäuse trennen. Störgrössen, wie die Gehäusekapazität, werden durch die Abmessungen und die besondere Anordnung der einzelnen Teile auf ein Minimum reduziert.

Die Gegenelektrode kann scheibenförmig ausgebildet sein und flach auf der Leiterplatte aufliegen, wodurch sich die Abmessungen des Ultraschallwandlers weiter verringern lassen.

Sie kann darüber hinaus aus Kunststoff gebildet sein und zumindest an der Oberfläche elektrisch leitende Zonen aufweisen. Sie lässt sich dadurch bei geringsten Abmessungen kostengünstig in engen Toleranzen herstellen, wobei die elektrisch leitenden Zonen zum Beispiel in einfacherWeise durch eine Metallbedampfung erzeugt werden können. Ausserdem kann die Gegenelektrode mittels in der Leiterplatte sitzender Schrauben verstellbar sein, so dass sich die Kunststoffolie vorspannen oder bei Bedarf nachspannen lässt.

Der Spannring kann lösbar mit der Leiterplatte verbunden und die Kunststoffolie dabei austauschbar sein. Die Folie lässt sich somit im Falle einer Beschädigung leicht auswechseln.

Die Leiterplatte kann mehrschichtig aufgebaut sein, und die Leiterbahnabschnitte können in verschiedenen Ebenen auf und innerhalb der Leiterplatte angeordnet sein, wodurch ein besonderer raumsparender Aufbau möglich ist. Sie kann flexibel und biegsam ausgebildet sein, so dass sie sich leicht auch auf gekrümmte Flächen aufbringen lässt.

Auf der Leiterplatte können mehrere Ultraschallwandler mit jeweils eigenen Leiterbahnabschnitten zur Stromzuführung angeordnet sein. Auf diese Weise lassen sich sehr einfach ganze Reihen oder Felder von Ultraschallwandlern aufbauen, ohne dass dabei zusätzliche Halterungen erforderlich sind. Mit einer solchen Anordnung lassen sich simultane Messungen in einem Strömungsfeld durchführen, wobei auch schnell ablaufende instationäre Vorgänge erfasst werden können. Die Ultraschallwandler sind dabei vorteilhafterweise auf der Leiterplatte zu Gruppen zusammengeschal2

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tet. Eine komplizierte aufwendige Verkabelung ist nicht erforderlich. Die Leiterbahnabschnitte einander benachbarter Ultraschallwandler werden dabei zweckmässigerweise nicht nebeneinander geführt, so dass gegenseitige Beeinflussung und Störungen nicht möglich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf vier nebeneinander auf einer Leiterplatte angeordnete Ultraschallwandler,

Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Leiterplatte gemäss Fig. 1, Fig. 4 eine Ansicht auf die Leiterplatte von unten und Fig. 5 eine Draufsicht auf eine andere Anordnung der Ultraschallwandler

Das Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 1 weist eine scheibenförmige Gegenelektrode 2 auf, die auf einer Leiterplatte 6 beispielsweise durch Kleben befestigt ist. Die Oberfläche der Gegenelektrode 2 kann in üblicher Weise ausgebildet sein, beispielsweise können umlaufende Rillen vorgesehen sein. Ein Zapfen 4 auf der Unterseite der Gegenelektrode 2 ist durch eine Bohrung in der Leiterplatte 6 geführt. Auf der Gegenelektrode 2 liegt eine einseitig metallisierte Kunststoffolie 5 auf, die von einem die Gegenelektrode 2 umfassenden Spannring 3 gehalten wird, der mit Schrauben 11 auf der Leiterplatte 6 befestigt ist.

Die Leiterplatte 6 ist beidseitig elektrisch leitend beschichtet. In bekannterWeise sind durch Ätzen verschiedene voneinander unabhängige Leiterbahnabschnitte gebildet. Auf der Oberseite der Platte sind dabei Leiterbahnabschnitte 9 und 10 vorgesehen, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei auf den Leiterbahnabschnitten 10 die Gegenelektrode 2 aufliegt. Auf dem Leiterbahnabschnitt 9 dagegen liegt der Spannring 3 mit der einseitig metallisierten Kunststoffolie 5 auf. Auf der Unterseite der Leiterplatte 6 sind Leiterbahnabschnitte 7 und 8 vorgesehen, wobei die Gegenelektrode 2 über den Zapfen 4 mit dem Leiterbahnabschnitt 7 in Verbindung steht. Zweckmässigerweise wird die Verbindung mit einem Lötpunkt hergestellt. Der Leiterbahnabschnitt 8 steht über die Schrauben 11 mit dem Spannring 3, der Kunststofffolie 5 und dem Leiterbahnabschnitt 9 in Verbindung. Als Anschlussleitungen für den Ultraschallwandler 1 dienen die Leiterbahnabschnitte 7 und 8 auf der Unterseite der Leiterplatte 6. Die verbleibende Oberfläche der Leiterplatte 6 ist mit dem Leiterbahnabschnitt 9 beschichtet. Die Oberfläche der gesamten Anordnung, d.h. der Leiterplatte 6 und der des

Ultraschallwandlers 1, ist somit elektrisch leitend, so dass Störungen infolge etwa durch Reibung entstehender elektrischer Aufladungen ausgeschlossen sind.

Die Abmessungen eines solchen Ultraschallwandlers lassen sich sehr gering halten. Er kann insbesondere mehr flach ausgebildet sein, wobei sich sehr leicht eine Gesamtstärke, d.h. die Stärke von Ultraschallwandler 1 und Leiterplatte 6 zusammen, von unter 3 mm erreichen lässt. Die elektrischen Eigenschaften bezüglich Frequenzgang und Ein- und Ausschwingverhalten entsprechen dabei zumindest den Werten herkömmlicher Einrichtungen.

Auf einer Leiterplatte 6 lassen sich in einfacher Weise mehrere Ultraschallwandler 1 anordnen. Sie können dabei zu einer Reihe ausgerichtet sein, wobei die Spannringe 3 zweckmässigerweise rechteckig ausgebildet sind, wie es etwa in Fig. 1 dargestellt ist. Soll eine grössere Fläche belegt werden, können auch sechseckige Spannringe 3 benutzt werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, wodurch eine besonders dichte Anordnung ermöglicht wird. Die Leiterplatte ist zweckmässigerweise mehrschichtig angeführt, so dass sich auch eine grosse Anzahl Leiterbahnabschnitte raumsparend unterbringen lässt. Die Ultraschallwandler 1 lassen sich auf der Leiterplatte 6 zu Gruppen zusammenschalten, wobei beispielsweise die Spannringe 3 und damit die Kunststoffolien 5 untereinander durch die Leiterbahnabschnitte 9 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 miteinander in Verbindung stehen. Die Leiterbahnabschnitte 7 für die Anschlüsse der Gegenelektroden 2 sind so angeordnet, dass die Zuführungsleitungen zweier benachbarter Ultraschallwandler 1 nicht nebeneinander liegen. Auf diese Weise werden gegenseitige Störungen vermieden.

Besondere Halterungen und Stromzuführungen sind für die Ultraschallwandler 1 nicht erforderlich, da beide Aufgaben von der Leiterplatte 6 übernommen werden. Diese lässt sich auch sehr leicht, z.B. mit Hilfe von Klebestreifen auf Flächen anbringen. Bei Verwendung einer flexiblen biegsamen Platte können die Flächen auch gekrümmt sein, so dass sich die Ultraschallwandler zum Beispiel auch auf den zylindrischen Flächen innerhalb eines Strahltriebwerkes zubringen lassen.

Andere Ausführungsformen sind ebenfalls denkbar, insbesondere lässt sich die Anzahl der Ultraschallwandler 1 auf der Leiterplatte 6 variieren. Ausserdem kann auch die Form der Spannringe 3 sowie der Gegenelektrode 2 abgewandelt werden.

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1 Blatt Zeichnungen

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655 023 PATENTANSPRÜCHE

1. Ultraschallwandler in Form eines aus einer Gegenelektrode und einer darauf aufliegenden, mit einem Spannring gehaltenen einseitig metallisierten Kunststoffolie gebildeten elektrischen Kondensators, wobei die Gegenelektrode und die Kunststoffolie elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (2) und der die davon elektrisch isolierte Kunststoffolie (5) haltende Spannring (3) auf einer Leiterplatte (6) befestigt und jeweils mit einem auf dieser vorgesehenen Leiterbahnabschnitt (7, 8 bzw. 7,10,8,9) elektrisch leitend verbunden sind.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (2) scheibenförmig ausgebildet ist und flach auf der Leiterplatte aufliegt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (2) aus Kunststoff gebildet ist und zumindest an der Oberfläche elektrisch leitende Zonen aufweist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (2) mittels in der Leiterplatte (6) sitzender Schrauben verstellbar ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannring (3) lösbar mit der Leiterplatte (6) verbunden ist und somit die Kunststoffolie (5) austauschbar ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6) mehrschichtig aufgebaut ist und die Leiterbahnabschnitte (7-10) in verschiedenen Ebenen auf und innerhalb der Leiterplatte (6) angeordnet sind.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6) flexibel und biegsam ausgebildet ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (6) mehrere Ultraschallwandler (1) mit jeweils eigenen Leiterbahnabschnitten (7, 8,9,10) zur Stromzuführung angeordnet sind.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall wandler (1) auf der Leiterplatte (6) zu Gruppen zusammengeschaltet sind.

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnabschnitte (7) einander benachbarter Ultraschallwandler (1) nicht nebeneinander geführt sind.