DE19624443A1 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit an einem Träger befestigten Piezoelementen.

Bei solchen Wandlern bzw. piezoelektrischen Druckimpulsquellen (DE-C-39 32 959) ist der metallische und somit elektrisch leitende Träger üblicherweise mit mehreren tausend Piezoelementen be­ stückt, die zur Erzeugung von Druckimpulsen oder Stoßwellen jeweils gleichzeitig impulsweise mit hoher Spannung angesteuert werden.

Zur gegenseitigen Isolation und auch zur Isolation gegenüber dem meist als Masseelektrode dienenden Träger sind die Piezoelemen­ te in einer Vergußmasse, wie etwa Epoxidharz, eingebettet, wo­ durch im allgemeinen eine hohe Spannungs- und Überschlagfestig­ keit gewährleistet ist. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, daß die ursprünglich hohe Spannungsfestigkeit zeitlich begrenzt ist und die Lebensdauer des Wandlers stark von der Spannung, die an die Piezoelemente gelegt wird, und nicht zuletzt auch davon abhängt, wie lange die Vergußmasse insbesondere am Umfang der meist als Zylinderkörper ausgebildeten Piezoelemente haften bleibt.

Die Piezoelemente erfahren durch die angelegte Impulsspannung schnelle und kurze Längenänderungen, wobei es vor allem im mittleren Bereich der Elemente zu aufeinander folgenden Ein­ schnürungen und Ausbeulungen kommt, wodurch die Haftung der Vergußmasse auf dem jeweiligen Piezoelement zumindest stellen­ weise aufgehoben werden kann. Sobald die Haftung im Bereich eines Elementes nicht mehr vorhanden ist, kommt es zu Span­ nungsüberschlägen zwischen den stirnseitigen, auf unterschiedli­ chem Potential liegenden Enden des betroffenen Piezoelementes, wodurch dieses Element und häufig auch benachbarte Elemente zerstört werden, der Wandler an Leistung verliert oder meist schon nicht weiter betrieben werden darf.

Man hat versucht, dieses Problem zu lösen, indem die Piezoele­ mente mit einem flüssigen Isolator, also etwa mit hochspannungs­ festem Öl, umgeben werden. Dies bringt den Vorteil, daß sich an der Wand bzw. am Umfang der Piezoelemente keine Spannungs­ überschläge begünstigende Luftstrecken ausbilden können.

Allerdings hat sich auch gezeigt, daß die Isolationsfestigkeit bei derart isolierten Piezoelementen auf Dauer nicht erhöht werden konnte. Weitere Probleme ergeben sich bei dieser Isolationstech­ nik dadurch, daß die Stellen, wo die Piezoelemente mit dem Träger elektrisch leitend durch ein Klebemittel verbunden sind, von dem flüssigen Isolator unterwandert werden und sich dadurch vom Träger ablösen. Außerdem können die Piezoelemente auf­ grund des fehlenden mechanischen Haltes bei solchen Isolations­ medien transversal auseinanderbrechen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine technisch einfache und kostengünstige Lösung für die im Zusammenhang mit den erwähnten Spannungsüberschlägen stehenden Probleme zu finden und durch die Beseitigung dieser Probleme schließlich auch die Möglichkeit zu schaffen, die Piezoelemente mit vergleichsweise höherer Spannung als derzeit üblich und möglich betreiben zu können, um so eine Leistungssteigerung des Wandlers zu erzielen. Im übrigen soll es möglich werden, daß die Lebensdauer des Wandlers die Lebensdauer der Piezoelemente (< 5 × 10⁶ Impulse) erreicht.

Diese Aufgabe wird bei einem elektroakustischen Wandler mit Piezoelementen so gelöst, daß die Piezoelemente auf ihrer Um­ fangsfläche mit jeweils einem Mantel aus dauerelastischem Isolier­ material abgedeckt sind.

Durch diese Maßnahme wird, wie praktische Versuche gezeigt haben, eine dauerhafte Überschlagfestigkeit in Luft von über 20 kV erreicht, also ein Wert, der weit über der bisher möglichen Spannungsfestigkeit herkömmlicher Wandler liegt. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß der elastische Mantel den Ver­ formungen am Umfang der Piezoelemente folgen kann und an diesen haften bleibt, so daß sich am Umfang der Piezoelemente keine freien Luftstrecken bilden werden, die sonst Ursache für Spannungsüberschläge sein könnten.

Weitere Steigerungen der Spannungsfestigkeit sind möglich, wenn die Mäntel über das eine stirnseitige Ende der Piezoelemente hinausragen, während die anderen stirnseitigen Enden der Piezo­ elemente elektrisch leitend mit dem eine gemeinsame Elektrode bildenden Träger verbunden sind. Im übrigen ist es auch je nach Wandlertyp vorteilhaft, wenn die ummantelten Piezoelemente zusätzlich mit einer auch die Räume zwischen den Piezoelementen ausfüllenden Vergußmasse aus Isoliermaterial durchgehend be­ schichtet sind.

Die Mäntel können aus einem auf das jeweilige Piezoelement geschobenen Schlauch bzw. Schlauchabschnitt bestehen und bei Verwendung von Schrumpfschläuchen auf das Piezoelement aufge­ schrumpft sein, wobei die Haftung zwischen dem Mantel und dem Piezoelement erforderlichenfalls auch noch durch Anwendung eines Klebers zwischen dessen Umfangsfläche und dem Innen­ umfang des Mantels bzw. Schlauchabschnittes erhöht werden kann.

Die Piezoelemente können jeweils mit ihrem einen stirnseitigen Ende leitend mit einem ersten Träger aus Metall verbunden und über jeweils ein Kontaktelement an den anderen stirnseitigen Enden leitend gegen einen zweiten Träger aus Metall verspannt sein, wobei die Träger, zwischen denen die Piezoelemente mit zugehörigen Kontaktelementen eingespannt sind, gemeinsame Elektroden bilden können. Zweckmäßigerweise sind dabei die Kontaktelemente jeweils von einem über die genannten anderen stirnseitigen Enden der Piezoelemente vorstehenden Teil der Mäntel umhüllt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform für einen Wandler ergibt sich, wenn jedes ummantelte Piezoelement in einem Gehäu­ se untergebracht ist, das mit einem Träger verschraubt ist, wobei ein stirnseitiges Ende der Piezoelemente mit dem Träger elek­ trischen Kontakt hat, während das andere stirnseitige Ende über eine gelochte Scheibe aus Isoliermaterial im metallischen Gehäuse abgestützt und mit einem Draht bzw. Kabel verbunden ist, der bzw. das durch die Scheibe und weiter isoliert durch einen Kanal im Gehäuse nach außen geführt ist.

Die Erfindung wird nun weiter anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt jeweils im Schnitt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten elektroakusti­ schen Wandler,

Fig. 2 und 3 außen am Umfang mit unterschiedlich ausgebildeten Mänteln abgedeckte Piezoelemente,

Fig. 4 ein gemäß den Fig. 1 und 3 ummanteltes Piezo­ element mit an einem stirnseitigen Ende angelöteten Draht und

Fig. 5 und 6 Teilbereiche zweier weiterer Ausführungsbeispiele für einen Wandler nach der Erfindung.

Der Wandler gemäß Fig. 1 ist im wesentlichen von üblicher Bau­ art und hat einen Träger 1 in Form einer beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Schale, auf der piezoelektrische Keramikelemente 2 mit einem stirnseitigen Ende stehend angeord­ net sind und mit dem Träger 1 mit einem Klebemittel elektrisch leitend verbunden sind. Der Träger bildet somit eine gemeinsame, meist auf Masse zu legende Elektrode für alle Piezoelemente. An den anderen Stirnseiten der Piezoelemente 2 sind in üblicher weise Drähte 3 so angeschlossen, daß diese Stirnseiten durch Verbindung aller Drähte ebenfalls gemeinsam auf gleichem Poten­ tial liegen, wenn sie etwa an den Pluspol eines elektrischen Im­ pulsgenerators angeschlossen werden, während der Träger 1 mit dem Massepol des Impulsgenerators verbunden ist.

Alle hier beispielsweise als Zylinderkörper ausgebildeten Piezoele­ mente 2 sind, wie noch später näher erläutert wird, außen auf ihrer Umfangsfläche jeweils mit einem Mantel 4 aus hochelasti­ schem Isoliermaterial abgedeckt. Im übrigen sind bei dieser Aus­ führungsform die ummantelten Piezoelemente mit einer auch die Räume zwischen ihnen ausfüllenden Vergußmasse 5 der Darstel­ lung entsprechend beschichtet.

Der Raum 6 dient zur Aufnahme eines flüssigen Koppelmediums, über das die Schallimpulse beispielsweise auf den Körper eines Patienten übertragen werden. Im übrigen kann die Vergußmasse auf der dem Raum 6 zugekehrten Seite noch mit einer Metallfolie abgedeckt sein, falls ein direkter Kontakt der Vergußmasse mit dem Koppelmedium vermieden werden soll. Diese Bauweise und auch die Betriebsweise sowie Funktion solcher Wandler sind bekannt und brauchen deshalb nicht weiter beschrieben zu wer­ den.

Wie es die Fig. 2 zeigt, kann der Mantel 4 an den beiden stirnsei­ tigen Enden 2a, 2b des Piezoelementes 2 bündig mit diesem ab­ schließen. Im Gegensatz hierzu ragt bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungen der Mantel bzw. Schlauchabschnitt 4 über das eine stirnseitige Ende 2a des Piezoelementes hinaus, so daß der Bereich, an dem der isolierte Anschlußdraht 3 mit dem Ende 2a Kontakt hat, vom überstehenden Teil des Mantels 4 umhüllt ist, wodurch sich eine Verlängerung der Strecke zwischen dem Ende 2a und dem Träger 1 als weitere Sicherung gegen Spannungsüberschläge ergibt.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Piezoele­ mente 2 jeweils mit ihrem einen stirnseitigen Ende 2b leitend mit einem ersten Träger 7 aus Metall verbunden und liegen jeweils über ein Kontaktelement 8 von unten gegen einen zweiten Träger 9 aus Metall an. Die Piezoelemente mit zugehörigem Kontakt­ element sind zwischen dem ersten und zweiten Träger einge­ spannt, die gemeinsame und auf unterschiedliches Potential zu legende Elektroden bilden. Die Kontaktelemente 8 sind jeweils von einem über das andere stirnseitige Ende 2a der Piezoelemen­ te 2 vorstehenden Teil 4a der Mäntel 4 umhüllt, und zwar aus schon vorerwähnten Gründen zwecks Erhöhung der Spannungs­ festigkeit.

Durch einen ausreichenden Abstand der Träger 7 und 9 ist be­ dingt durch die Höhe der Kontaktelemente 8 das Vergießen der ummantelten Piezoelemente bei dem in Fig. 5 gezeigten Wandler nicht erforderlich. Durch das Einspannen der Piezoelemente zwischen den Trägern werden diese mechanisch vorgespannt, um in an sich bekannter Weise ihren Wirkungsgrad und damit den Wirkungsgrad des Wandlers insgesamt zu erhöhen. Außerdem läßt diese Bauweise einen relativ leichten Austausch von etwaigen defekten Piezoelementen zu, wenn beispielsweise der obere Träger 9 vom übrigen Wandlerteil gelöst und abgehoben werden kann, so daß die auf dem unteren Träger 7 verbleibenden Piezoelemente 2 und Kontaktelemente 8 frei zugänglich werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist jedes mit einem Mantel 4 umgebene Piezoelement 2 in einem Gehäuse 10 unter­ gebracht, das von unten mit dem Träger 1 verschraubt ist, wobei ein stirnseitiges Ende 2b des Piezoelementes 2 mit dem Träger 1 elektrischen Kontakt hat, während das andere Ende 2a des Piezo­ elementes über eine mittig gelochte Scheibe 11 aus Isoliermaterial auf einer Schulter im metallischen Gehäuse abgestützt und mit einem isolierten Draht 3 verbunden ist, der durch das Loch der Scheibe 11 und weiter isoliert durch einen Kanal 10a im Gehäuse 10 nach außen geführt ist.

Der Kanal 10a ist mit den Draht 3 umgebendem und stützendem Isoliermaterial 12 gefüllt. Die Scheibe 11 sollte relativ hart sein und z. B. aus Hartpapier bestehen, da über sie relativ hohe Spannkräfte vom Gehäuse 10 auf das Piezoelement 2 und weiter auf den Träger 1 übertragen werden müssen. Außerdem sollte der gemäß der Darstellung nach unten über das Piezoelement 2 hin­ ausragende Teil des Mantels 4 die Scheibe 11 aus Gründen einer hohen Spannungsfestigkeit übergreifen.

Im übrigen ist es auch bei dieser Ausführungsform möglich, das Piezoelement 2 zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades mecha­ nisch in Längsrichtung ein- und vorzuspannen, und zwar durch mehr oder weniger weites Einschrauben des Gewindeteiles 10b in die zugehörige Gewindebohrung unten am Träger 1. In der Fig. 6 ist zwar nur ein Piezoelement gezeigt, die Ausstattung des Wand­ lers mit einer Vielzahl von Piezoelementen gemäß Fig. 1 ist aber auch möglich.

Claims (8)

1. Elektroakustischer Wandler mit an einem Träger (1) befe­ stigten Piezoelementen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (2) auf ihrer Umfangsfläche mit jeweils einem Mantel (4) aus dauerelastischem Isoliermaterial abgedeckt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4) aus einem auf das jeweilige Piezoelement (2) gescho­ benen Schlauch besteht.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (4) auf das jeweilige Piezoelement (2) geschrumpft ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mantel bzw. Schlauch (4) durch Kleben mit dem jeweiligen Piezoelement (2) verbunden ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mäntel bzw. Schläuche (4) über das eine stirnseitige Ende (2a) der Piezoelemente (2) hinausragen und daß die Piezoelemente (2) an ihrem anderen stirnseitigen Ende (2b) elektrisch leitend mit dem eine gemeinsame Elektrode der Piezo­ elemente bildenden Träger (1) verbunden sind.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ummantelten Piezoelemente (2) mit einer auch die Räume zwischen den Piezoelementen ausfüllenden Ver­ gußmasse (5) aus Isoliermaterial durchgehend beschichtet sind.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Piezoelemente (2) jeweils mit ihrem einen stirnseitigen Ende (2b) leitend mit einem ersten Träger (7) ver­ bunden und über ein Kontaktelement (8) an den anderen stirnsei­ tigen Enden (2a) an einem zweiten Träger (9) anliegen, daß die Kontaktelemente (8) jeweils von einem über die genannten ande­ ren stirnseitigen Enden (2a) der Piezoelemente (2) vorstehenden Teil des Mantels (4) umhüllt sind und daß die die Piezo- und Kontaktelemente zwischen sich einspannenden Träger (7, 9) ge­ meinsame Elektroden der Piezoelemente bilden.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes ummantelte Piezoelement (2) in einem Gehäuse (10) untergebracht ist, das mit dem Träger (1) ver­ schraubt ist, wobei ein stirnseitiges Ende (2b) des Piezoelementes (2) mit dem Träger (1) elektrischen Kontakt hat, während das andere stirnseitige Ende (2a) des Piezoelementes (2) über eine gelochte Scheibe (11) aus Isoliermaterial im metallischen Gehäuse (10) abgestützt und mit einem Kabel (3) verbunden ist, das durch die Scheibe (11) und weiter isoliert durch einen Kanal (10a) im Gehäuse (10) nach außen geführt ist.