DE1953719C - Ultraschallwandler mit piezoelektrischem Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft dnen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, dessen Seiten mit dünnen, flachen Elektroden versehen sind und das an seinen Schwingungsknoten im Bereich seiner Ränder stromleitend unterstützt ist, so daß sein Mittelteil frei schwingen kann, mit einem steifen Basisteil mit Stützmitteln, von denen das piezoelektrische Element in einem vorbestimmten, festen Abstand von dem Basisteil frei im Raum unterstützt ist.

Bei einem bekannten Wandler dieser Art (USA.-Patentschrift 3 109 111) wird das piezoelektrische Element mit Hilfe von metallischen Vorsprüngen unterstützt, die durch Federdruck in Kontakt mit den leitenden Oberflächen des Elements gehalten werden. Die Kontaktvorsprünge greifen dabei in vier an den Rändern des piezoelektrischen Elements vorgesehene Aussparungen ein. Bei diesem bekannten Wandler können, wenn er als Ultraschallgeber bzw. Strahler mit durchgehend hoher Leistung betrieben wird, durch die elastischen metallischen Unterstützungen und Kontaktvorsprünge Störresonanzen, Klirren und unerwünscht« Oberschwingungen erzeugt werden. Die Stellung der Vorsprünge in den Aussparungen kann sich verschieben und die Resonanzfrequenz verändern. Zwischen den scharfen, stark belasteten Kontaktflächen der Vorsprünge und den weichen Silberelektrodcnüberzügen des Elements tritt eine starke Abnutzung auf, so daß nach einiger Zeit die elektrischen Kontakte zeitweise unterbrochen oder ganz geöffnet sind. Weiter können Änderungen im Einspanndmck und in der Einspannstellung infolge von Alterung oder mechanischen Stoßen auftreten. Durch die Unterstützungen und die Kontaktvorsprünge zur Halterung müssen beträchtliche Vorspannkräfte auf das Element aufgebracht werden, um einen zuverlässigen Einspanndruck zu erreichen. Hierdurch wird in dem Element ein Übermaß an Vorspannung bewirkt, das die Betriebseigenschaften und Kennweite des Elements verändert und nachteilig beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mangel des bekannten Wandlers zu vermeiden. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das piezoelektrische Element von steifen, auch der Strom-

zufuhr dienenden Drähten gehalten ist, die mit den Elektroden des piezoelektrischen Elements verbunden und in den StützmiUeln gelagert sirfd.

Bei dieser Ausbildung des Wandlers wird das piezoelektrische Element frei im Raum ohne Vorspannung unterstützt. Die Schwingungen werden von den Halterungen nicht beeinflußt, so daß keine Störresonanzen oder unerwünschte Oberschwingungen auftreten können. Kontaktflächen zur Stromübertragung, die durch die Schwingungen beeinflußt werden könnten, sind nicht mehr vorhanden; es besteht vielmehr eine ständige elektrische und mechanische Verbindung der Unterstützungsmittel mit dem piezoelektrischen Element, so daß eine Abnutzung an diesen Teilen nicht auftreten kann. Die Eigenschaften des Wandlers bleiben daher auch über lange Zeiträume konstant. Der mechanische und elektrische Aufbau des Wandlers nach der Erfindung ist sehr einfach, so daß er in großen Stückzahlen mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Das piezoelektrische Element kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einen geschichteten Aufbau aufweisen mit einem Paar nebeneinander angeordneter flacher piezoelektrischer Schichten, wobei zwei der Elektroden mit den Außenseiten der piezoelektrischen Schichten verbunden sind und eine dritte der Elektroden zwischen einander gegenüberliegenden inneren Seiten der piezoelektrischen Schichten angeordnet und mit diesen Seiten verbunden ist. Vorzugsweise besitzt bei einem solchen Aufbau eine der piezoelektrischen Schichten an einer Kante eine Ausnehmung, um einen Randabschnitt der dritten Elektrode frei zu lassen, wobei ein Ende eines der Drähte an dem freiliegenden Randabschnitt der dritten Elektrode befestigt ist. Hierdurch wird eine einfache und zuverlässige Verbindung mit der dritten Elektrode geschaffen.

Bei dem Ultraschallwandler der eingangs genannten Art ist an der von dem steifen Basisteil abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements in festem Abstand von diesem eine schwingfähige Scheibü angebracht. Diese kann auch bei einem I Mt raschall wandler nach der Erfindung vorgesehen werden, wobei vorteilhaft die Stützmittel des piezoelektrischen Elements als Tragbolzen ausgebildet sind, an deren freien Enden ein Ring befestigt ist, der an nach innen gerichteten Armen die schwingfähige Scheibe aufnimmt.

Die Basisplatte, die Tragbolzen, der Ring, die Arme und die Scheibe bestehen vorzugsweise aus isolierendem Material und bilden einen Käfig, der das piezoelektrische Element umschließt und mechanisch schützt.

Der Ultraschallwandler umfaßt vorzugsweise auch ein den Käfig umschließendes, elektrisch abschirmendes zylindrisches Gehäuse mit sich gegenüberliegenden offenen Enden, wobei eines der offenen Cnden des Gehäuses mit einem Druckwellen hindurchlassenden Gitter versehen ist, das benachbart dem Ring angeordnet ist, und im Abstand voneinander angeordnete, an der Basisplatte befestigte elektrische Anschlüsse, die an dem anderen offenen Ende des Gehäuses zum Verbinden mit einem äußeren Schaltkreis freiliegend angeordnet sind, wobei das andere Ende der der Stromzufuhr dienenden Drähte mit diesen elektrischen Anschlüssen verbunden ist.

Die Drähte können mittels Lötverbindungen mit den Elektroden verbunden sein, wobei Endabschnitte dei Drahte, die Lötverbindungen und die die Lötverbindungen unmittelbar umgebenden Abschnitte der Elektroden mit einer Kunststoffzement- bzw. Kunststoffklebeschicht überzogen sind, so daß die Lötverbindungen verstärkt sind und Schwingungen der Drähte beim Schwingen des piezoelektrischen Elements wirksam verhindert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines zusammengebauten und von einem Gehäuse umschlossenen erfindungsgemäßen is Ultraschallwandlers,

Fig. 2 eine Ansicht des Ultraschallwandlers von unten,

F i g. 3 in einem vergrößerten Maßstab einen senkrechten Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1,
ao Fig. 4 eine Draufsicht, wobei Teile eines Schutzgitters weggebrochen sind, um den inneren Aufbau zu zeigen;

F i g. 5 und 6 zeigen horizontale Schnitte entlang den Linien 5-5 bzw. 6-6 in Fig. 3;
as F i g. 7 zeigt eine vergrößerte perspektivische Darstellung des piezoelektrischen Elements, die Einzelheiten an der Unterseite desselben zeigt,

Fig. 8 eine pespektivische Darstellung einer in der Wandlerbaugruppe verwendeten schwingfähigen Scheibe,

F i g. 9 einen Teilschnitt entlang der Linie 9-9 der F i g. 6 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 10 einen Teilschnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 5, ebenfalls in vergrößertem Maßstab.
In den Fi g. 1 bis 6 ist ein von einem zylindrischen Gehäuse 12 umschlossener Ultraschallwandler 10 gezeigt, wobei das Gehäuse 12 eine offene Vorderbzw. Oberseite aufweist, die von einem fest an einem ringförmigen Rand 14 einer öffnung 16 befestigten runden Schutzgitter 15 bedeckt ist. Das Schutzgitter 15 läßt Druckwellen frei in das Gehäuse ein und aus dem Gehäuse austreten, je nachdem, ob der Wandler als ein Druckwellengeber bzw. Wellenerzeuger oder Wellenstrahler oder als ein Druckwellenempfänger bzw. Mikrophon verwendet wird. Das offene hintere bzw. untere Ende des Gehäuses kann nach innen umgebogen sein, um einen Umfangflansch 18 zu bilden, der an einer runden Basis- bzw. Grundplatte 22 eines isolierenden Käfigs 25 angreift, um diesen in dem Gehäuse 12 festzuhalten.

Die Grundplatte 22 ist becherförmig ausgebildet mit einem ringförmigen Flansch 26, der im Reibungseingriff mit der Innenseite des Gehäuses 12 steht. Vier zylindrische Tragbolzen 27 sind, um 90^l gegeneinander versetzt, einstückig mit der Grundplatte 22 ausgebildet. Zylindrische Zapfen 28 mit vermindertem Durchmesser sind an den oberen Enden der Tragbolzen einstückig mit diesen ausgebildet. Ferner umfaßt der Käfig 25 eine schwingfähige Scheibe 29, die von vier jeweils um 90° gegeneinander versetzten und einstückig mit einem äußeren Ring 30 ausgebildeten radialen Armen 31, 32, 33 und 34 getragen wird (F i g. 8). Der Ring 30 ist dicht unter dem Rand 14 der öffnung 16 mit einem Paßsitz in das Gehäuse 12 eingefügt, wobei der Rand des Gitters 15 zwischen dem Ring 30 und dem Rand 14 eingelegt ist.

Die radialen Arme 31 und 34 haben innere Ab-

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schritte 35 mit verringerter Breite und Dicke, wobei nachbarten Rändern sowohl des leitenden Überzugs in zwei sich diametral gegenüber liegenden Armen bzw. der Elektrode 60 wie der Platte 54 ist eine 31 und 33 Aussparungen 36 benachbart der Scheibe Ausnehmung gebildet, so daß der Draht, wie am 29 ausgebildet sind. Äußere Abschnitte 38 der Arme besten aus F i g. 9 zu ersehen, mit Lötmitteln 77 und sind dicker als die inneren Abschnitte und haben 5 isolierendem Klebstoff 78 befestigt werden kann. Die eine Dicke gleich der des Ringes 30. In den Unter- äußeren Abschnitte der Drähte erstrecken sich durch seilen der Arme 31 bis 34 sind Sacklöchcr 40 vor- Löcher 80, die einander gegenüberliegend in den gesehen, welche die oberen freien Enden der Zapfen Zapfen 28 ausgebildet sind. Die Drähte üben keinen 28 aufnehmen. Die Zapfen 28 sind mit einem ge- Zug auf das Element 50 aus. Das Element wird von eigneten Klebstoff 42 befestigt, wodurch der Käfig 25 io ihnen nur getragen. Die Drähte sind im Reibungsentsteht und eine zusammenhängende, einheitliche. eingriff in den Löchern 80. Von den Löchern 80 ersteife Rahmenkonstruktion bildet. strecken die Drähte sich nach unten zu Nuten bzw.

Innerhalb des Käfigs 25 ist ein rechteckiges piezo- Kerben 82. die in den Tragbolzen 27 ausgebildet elektrisches Element 50 angeordnet. Das Element 50 sind. Die unteren Enden der Drähte 61 bis 63 enden ist eine aus Schichten zusammengesetzte Kon- 15 an in Umfangsrichtung verteilten Anschlußösen 84. struktion, die zwei dünne keramische Platten 52 und die an den oberen bzw. inneren Enden dreier Kon-54 umfaßt, die mit je einer Seite einer dünnen, taktstifte 86 a, 86 />, 86 r an der Grundplatte 22 anelektrisch leitenden Metallschicht oder Metallplatte geordnet sind. Die Kontaktstiftc 86 a. 86 b. 86 r sind 56 verbunden sind. Die äußeren freiliegenden Seiten in der Grundplatte 22 befestigt und erstrecken sich der Platten 52 und 54 sind mit dünnen leitenden 20 von derselben axial nach unten zur Verbindung mit Schichten 58 bzw. 60 aus Silber oder einem anderen einem äußeren elektrischen Schaltkreis. Die Drähte elektrisch leitenden Material überzogen. Die Schich- 61 bis 64 sind mittels Klebstoffs 88 an den Zapfen ten 58 und 60 dienen als Elektroden für die aus 28 befestigt. Weiter sind die Drähte 61 bis 64 durch Schichten zusammengesetzte Konstruktion. Klebstoff 90 an den Tragbolzen 27 befestigt. An den

Das Element 50 ist so ausgerichtet, daß sein 25 Anschlußösen 84 sind die Drähte 61, 62 und 64 mit

Mittelpunkt genau auf der Mittelachse des zylin- Hilfe von Lötmittel 92 befestigt,

drischen Käfigs 25 und des Gehäuses 12 liegt. Das Die die Scheibe 29 tragenden Arme 31 und 34

piezoelektrische Element schwingt normalerweise in sind über in Fig. 6 durch gerade, gestrichelte

Biegeschwingungen. Es hat einen aktiven Mittel- Linien N angedeuteten Schwingungsknotenbereichen

bereich A, der in Fig. 6 mittels gestrichelter Bogen- 3° des Elements 50 außerhalb des Bereichs A gelegen

linien angedeutet ist. Die Scheibe 29, die dicker ist In ähnlicher Weise sind die mit Kltbstoff über

als die Arme 31 bis 34 und der Ring 30. hat eine zogenen Lötverbindungsstellen und die inneren

innere bzw. untere Fläche 29', die in einem genauen Enden der Drähte in Wellenknotenbereichcn des

Abstand von dem bcnachbaiten zentralen Abschnitt Elements 50 gelegen. Die Arme 31 bis 34 und die

des Elements 50 so angeordnet ist, daß sie die von 35 Bcfestigungsstellcn der Drähte sind an äußeren

dem schwingenden Element ausgesandten Druck Fnden sich schneidender Mittelachsen des Elements

wellen vergrößert bzw. zu einer maximalen Größe 50 gelegen.

bringt, wenn dieses schwingende Element als ein Aus der beschriebenen Anordnung geht hen 01.

Wellenerzeuger bzw. Strahler verwendet wird, und daß das Element 50 frei im Raum im Inneren des

daß ein maximaler Antrieb des piezoelektrischen 40 Käfigs 25 aufgehängt ist und durch druckfreie bzw

Elements erreicht wird, wenn es mit Ultrasehall- spannungsfreie, in Schwingungsknotenbcreichcn des

druckwellen beschallt wird Das Element 50 ist tn Elements gelegene Verbindungsdrähtc getragen wird

einem genauen Abstand von der Grundplatte 22 an- Die Drähte 61 bis 64 haben eine eenüeende Steif

geordnet, der so bemessen ist. daß diese Grundplatte heit. um das Element 50 genau in seiner Lage 711

22 als ein wirksamer Reflektor dient, um Druck- 45 halten, und haben genügend Elastiztät. um die

wellen, die von dem piezoelektrischen Element ab- Schwingungen des Elements so wenig wie möglieh

gegeben werden, auf dieses zurückzuwerfen, wo- zu behindern. Die Behinderung bzw. die Dämpfungs-

durch die mechanischen Schwingungen des Elements wirkung ist minimal und vernachlässighar. da die

50 verstärkt werden. Verbindungspunkte genau an Schwingungsknoten

Vier steife Drähte 61.62,63 und 64 halten das 50 punkten bzw. deren Bereichen des Elements ange

Element 50 in seiner kritischen Stellung. Innere ordnet sind. Enden der Drähte 61 und 63 sind in der Mitte ent- Dadurch, daß der isolierende Käfig 25 innerhalb

gegengesetzter Ränder 71.73 der oberen Elektrode des Gehäuses 12 vorgesehen ist werden die leitenden

58 angeordnet und mit Hilfe von Lötmittel 66 be- Drähte 61 bis 64 und die Kontaktstifte 86 a. 86 b.

festigt Ein isolierender Klebstoff 68. wie etwa 55 ⁸^ <" wirksam gegen das Metallgehäuse 12 and das

Epoxy-Harz. ist über die ganze Lötverbindung auf- vordere Gitter 15 isoliert. Hierdurch wird die Gefahr

gebracht und erstreckt sich etwas entlang dem Draht ««es elektrischen Schlages m dem Wechselstromwie deutlich in den Fig. 5 und 10 gezeigt ist. Dies gerät verhindert. Der Ring30, die Arme31 bis 34

dient zur Verstärkung der Verbindung, verhindert und die Scheibe 29 dienen ebenfalls als Schutz für

ein Abschälen des Lötmaterials 66 und schränkt die 60 das Element 50, indem sie Anschläge für das Gitter

Schwingung des Drahtes ein. Das innere Ende des 15 bilden, um zu verhindern, daß dieses in das Drahtes62 ist. wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt an Gehäuse 12 gestoßen wird.

der Mitte des Randes 72 der unteren Elektrode 60 Wenn der Wandler ah eine Baugruppe mit zwei

angebracht und dort durch Lötmaterial in derselben Anschlüssen verwendet werden soll, werden die An-

Wcisc. wie in Fig. 10 gezeigt befestigt wobei die 65 Schlüsse nach außen über die Kontaktstifte86a und

Lötstelle durch Klebstoff 68'verstärkt ist. Das innere 86 b vorgenommen, die in Verbindung mit den

Ende des Drahtes 64 ist in der Mitte des Randes 75 leitenden Überzügen bzw. Elektroden 58 und 60

der mittleren Metallplatte 56 befestigt. In den be- stehen, und an den Kontaktstift 86 r wird keine

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äußere Verbindung gelegt. Wenn der Wandler in einem Oszillator- oder Filterschaltkreis verwendet werden soll, bei dem elektrische Verbindungen zu den leitenden Überzügen bzw. Elektroden 58 und 60 und der mittleren Platte bzw. Elektrode 56 notwendig sind, werden äußere Verbindungen an alle drei Kontaktslifte 86 a, 86 ft und 86 c gelegt.

Bei Betrieb des Wandicrs als Ultraschallgcber werden Wechselspannungen richtiger Polarität und Frequenz den leitenden Überzügen bzw. Elektroden und der mittleren Platte zugeführt, und das Element 50 schwingt in Biegeschwingungen, wobei es sich abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen verbiegt, um Druckwellen auszusenden, die ein scharf ausgeprägtes Maximum bei einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz besitzen. Bei Betrieb des Wandlers als Ullraschallcmpfanger bzw. Mikrophon werden dem Element 50 von der Grundplatte 22 Druckwellen mit Ultraschallfrequenz zugeführt. Das Element 50 wird als Folge hiervon sich wechselweise in entgegengesetzte Richtungen biegen, so daß es Wechselspannungen erzeugt, deren Maximum bei der Frequenz der auf das Element einwirkenden Druckwellen liegt.

Der hier beschriebene Wandler ist besonders für Einbruchsaiarmsysteme geeignet. Er ist jedoch allgemein verwendbar und kann in jedem System verwendet werden, das einen Ultraschallwandler mit hohem Q-Wert, d. h. hohem Gütefaktor bei geringer Bandbreite, benötigt.

Das piezoelektrische Element kann mit relativ hoher Energie betrieben werden, die nur durch die Temperatur des Curie-Punkies des keramischen Materials oder durch den Schmelzpunkt des Lötmaterials der Verbindungen der Drähte mit den Elektroden begrenzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309632/283

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Ultraschall wandler mit einem piezoelektrischen Element, dessen Seiten mit dünnen, flachen Elektroden versehen sind und das an seinen Schwingungsknoten im Bereich seiner Ränder stromleitend unterstützt ist, so daß sein Mittelteil frei schwingen kann, mit änem steifen Basisteil mit Stützmitteln, von denen das piezo- xo elektrische Element in einem vorbestimmten, festen Abstand von dem Basisteil frei im Raum unterstützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (50) von steifen, auch der Stromzufuhr dienenden Drähten (61 bis 64) gehalten ist, die mit den Elektroden (58, 60, 56) des piezoelektrischen Elements verbunden und in den Stützmitteln gelagert sind.

2. Ultraschall wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (50) einen geschichteten Aufbau aufweist mit einem Paar nebeneinander angeordneter flacher piezoelektrischer Schichten (52,54), wobei zwei der Elektroden (58, 60) mit den Außenseiten der piezoelektrischen Schichten (52,54) verbunden sind und eine dritte der Elektroden (56) zwischen einander gegenüberliegenden inneren Seiten der piezoelektrischen Schichten (52, 54) angeordnet und mit diesen Seiten verbunden ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der piezoelektrischen Schichten (54) an einer Kante (75) eine Ausnehmung (76) aufweist, um einen Randabschnitt der dritten Elektrode (56) frei zu lassen, und daß ein Ende eines der Drähte i,o4) an dem Randabschnitt der dritten Elektrode (56) befestigt ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem an der von dem steifen Basisteil abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements in festem Abstand von diesem eine schwingiähige Scheibe angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel des piezoelektrischen Elements (50) als Tragbolzen (27) ausgebildet sind, an deren freien Enden ein Ring (30) befestigt ist, der an nach innen gerichteten Armen (31 bis 34) die schwingfähige Scheibe (29) aufnimmt.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (22), die Tragbolzen (27), der Ring (30), die Arme (31 bis 34) und die Scheibe (29) aus isolierendem Material bestehen und einen Käfig (25) bilden, der das piezoelektrische Element (50) umschließt und mechanisch schützt.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Käfig (25) umschließendes, elektrisch abschirmendes zylindrisches Gehäuse (12) mit sich gegenüberliegenden offenen Enden, wobei eines der offenen Enden des Gehäuses (12) mit einem Druckwellen hindurchlassenden Gitter (15) versehen ist, das benachbart dem Ring (30) angeordnet ist, und an der Basisplatte (22) befestigte elektrische Anschlüsse (86 a, 86 b, 86 c), die an dem anderen offenen Ende des Gehäuses zum Verbinden mit einem äußeren Schaltkreis frei liegend angeordnet sind, wobei das andere Ende von gewissen Drähten (61,62,64) mit diesen elektrischen Anschlüssen (86 a, 86 b, 86 c) verbunden ist, vorgesehen sind.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (61 bis 64) mit den Elektroden (56,58, 60) mittels Lötverbindungen verbunden sind und daß die Endabschnitte der Drähte (61 bis 64), die Lötverbindungen und die die Lötverbindungen unmittelbar umgebenden Abschnitte der Elektroden (56,58,60) mit einer Kunststoffzement- bzw. Kunststoffklebeschicht überzogen sind, so daß die Lötverlbindungen verstärkt sind und Schwingungen der Drähte (61 bis 64) beim Schwingen des piezoelektrischen Elements (50) wirksam verhindert werden.