DE3330411A1 - Piezo-wandler - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München' VPA 83 P 1 6 2 2

Piezo-Wandler.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Piezo-Wandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist. ;

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• Ein Piezo-Wandler findet sowohl als Sender als auch als Schwingungs-Aufnehmen bzw. -Empfänger, z.B. als Beschleunigungsmesser u.dergl. verbreitete Anwendung. Dabei kann ein und derselbe Ultraschall-Wandler als· Sender un"d als Empfänger benutzt seijn. Eine spezielle technische Anwendung solcher Ultraschall-Wandler ist die in einem Ultraschall-Echolot, wie es z.B. !zur berührungslosen Entfernungsmessung verwendet wird. '

Die einfachste Ausf ührungs'f orm eines insbesondere für ein Echolot zu verwendenden Ultraschall-Wandlers ist eine Scheibe aus piezoelektrischer Keramik. Titanat-Keramik und Titanat-Zirkonat-Keramik findet für piezoelektrische Zwecke weite Verwendung. Je nach Zusammensetzung hat diese Keramik unterschiedliche Eigenschaften und insbesondere ist Blei-Titanat-Kerämik wegen ihrer hohen Curie-Temperatur für die Verwendung bei hohen Umgebungstemperaturen von Bedeutung.

Mit einer einfachen Keramikscheibe können allerdings in vielen Fällen die heutigen Anforderungen an einen derartigen Piezo-Wandler nicht mehr befriedigt werden. Einerseits liegt dies daran, daß relativ hohe Schall-Leistung verlangt wird. Andre Gründe hierfür sind hohe Präzision des

Bts 1 BIa / 19-8.1983

mittels eines solchen Wandlers zu erreichenden Meßergebnisses, sehr große Zuverlässigkeit und/oder lange Lebensdauer, und zwar auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, mechanische Einflüsse, chemische Einwirkungen und dergleichen.

Im Hinblick auf die vorgenannten Gesichtspunkte leistungsfähiger Piezo-Wandler bestehen heute im allgemeinen aus der . .bereits erwähnten Keramikscheibe und einem diese Scheibe umgebenden Gehäuse. Dabei muß dieses Gehäuse den Bedingungen genügen, die sich aus der Ultraschall-Aussendung, -Übertragung und/oder dem -Empfang ergeben.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezo-Wandler mit Piezokeramikscheibe und Gehäuse anzugeben, der insbesondere für hohe Umgebungstemperaturen verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Piezo-Wandler gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht u.a. auf der Überlegung, daß bekanntermaßen weitverbreitet verwendete Klebung zur Montage der Piezokeramikscheibe bei hohen Temperaturen bis zu z.B. 35O°C nicht mehr verwendbar ist. insbesondere muß auch dafür Sorge getragen sein, daß Temperaturänderungen von Zimmertemperatur oder niedriger bis zu z.B. den erwähnten 35O°C erhebliche Temperaturspannungen hervorrufen können, unter denen die Keramikscheibe unter keinen Umständen einen Bruch erfahren darf. Die an sich bekannte Methode, die Keramikscheibe mit Druck anzupressen, erfordert ebenfalls besondere Vorkehrungen, insbesondere dahingehend, daß vorhandene und/oder aufgrund von temperaturbedingten Formänderungen entstehende Unebenheiten der Keramikscheibe

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bzw. zwischen Keramikscheibe und Gehäuse zuverlässig ausgeglicken werden müssen. Z.B. ist probeweise eine Goldfolie von z.B. 10 bis 50μπι zwischen die Keraraikscheibe und diejenige Gehäusefläche des Ultraschall-Wandlers gelegt worden, an der diese Keramikscheibe mit Druck anliegt. Gold hat sich wegen seiner Duktilität für diesen Zweck als gut geeignet erwiesen. . Insbesondere bei topfförmigem Gehäuse spielt aber auch der^: Montage-Aufwand eine Rolle, nämlich die Goldfolie zwischen Keramik und Gehäusewand richtig zu plazieren. . . ^!

Eine der Erfindung gemäße Vereinfachung der Montage ist dadurch erzielt, daß die Piezokeramikscheibe auf der nach Einbau im Gehäuse diesem Gehäuse zugewandten Fläche mit einer Gold-Beschichtung versehen ist, die insbesondere 10 bis 50μπι dick ist. Eine solche Schichtdicke reicht aus, um selbst temperaturbedingte Formänderungen der Keramikscheibe derart auszugleichen, daß ganzflächig kein Spalt zwischen der Keramikscheibe und der gegenüberliegenden Gehäusewand auftreten kann. Es sei darauf hingewiesen, daß selbst ganz geringe Spalte für die Ausbreitung einer akustischen Welle erhebliche Auswirkungen haben.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolfolgenden, anhand der Figur gegebenen Einzelbeschreibung zu einem Piezo-Wandler hervor.

Mit 1 ist der gesamte Piezo-Wandler bezeichnet. In dem' Gehäuse 2 ist eine Keramikscheibe 3 aus Blei-Titanat vorhanden, das eine Curie-Temperatur von 490⁰C hat. Zwischen dieser Scheibe 3 und derjenigen Fläche 4 des Gehäuses 2; die dieser Scheibe 3 gegenüberliegt, ist die erfindungsgemäße Schicht 5 aus z.B. Gold vorhanden. Diese Schicht 5 kann als die eine Elektrode verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Scheibe 3 ist die Gegenelektrode vorhanden .

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Eine solche Gold-Schicht kann insbesondere in der Weise hergestellt sein, daß eine zunächst aufgebrachte Oberflächen-Metallisierung der Scheibe 3 mittels Einbrennmetall, Metall-Aufstäubens, chemischem Vernickeln und dergleichen nachfolgend galvanisch verstärkt wird. Zumindest für die vorliegende Erfindung wird damit völlig ausreichendes mechanisches Anhaften der Gold-Schicht 5 an der Scheibe 3 erreicht. Mit 6 ist ein vorzugsweise metallener Stempel «... bezeichnet, der in einen Kontaktstift 7 übergeht. Eine ζ .B als Tellerfeder ausgebildete Andruckeinrichtung ist mit 8 bezeichnet. Zwischen einer in das Gehäuse 2 einzuschraubenden Druckschraube 9 und der Tellerfeder 8 ist noch ein elektrisch isolierendes Teil 10 eingefügt.

M.it 11 ist auf die Dichtungsfläche des Gehäuses hingewiesen, mit der das Gehäuse 2 bzw. der Wandler 1 in die lediglich als -Teilstück dargestellte Wand 12 eines Behälters dicht eingesetzt ist.

Eine wie dargestellte Ausführungsform ist z.B. dazu, geeignet, einen in einem mit überhitztem Wasser gefüllten Hochdruckbehälter (von der das Teilstück 12 ein Anteil der Behälterwand ist) wie angedeuteten Gegenstand 13 zu orten. Mit dem Pfeil 14 ist auf die Ultraschall-Strahlung hingew'iesen, die von der Abstrahlfläche 15 des Gehäuses abgestrahlt wird. Diese Fläche 15 dient im übrigen auch als Schalleintrittsfläche für das zurückkehrende Ultraschall-Echosignal.

Es sei darauf hingewiesen, daß besonders günstige Ultraschall-Erzeugung, -Abstrahlung und günstiger -Empfang dann erreicht werden kann, wenn die Dicke der Keramikscheibe 3 und des zwischen dieser Keramikscheibe 3 und der Fläche

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vorhandenen Materials auf die Ultraschall-Wellenlänge abgestimmt bemessen ist. Es liegt dann ein Ultraschall-Koppelschwinger vor. Ein wie erfindungsgemäßer Ultraschall-Wandler ist 4.B. mit Erfolg als Echolot-Abstandsmesser verwendet worden, wobei der Abstand eines in einem Kessel befindlichen Stabes gemessen worden ist und wobei das Wasser in diesem Kessel unter einem Druck von 16O bar bei ca. 35O°C stand,

Gegenüber der versuchsweise durchgeführten Montage eines wie dargestellten Ultraschall-Wandlers unter Verwendung einer bereits oben qrwähnten Gold-Folie hat sich die Montage des erfxndungsgemaßen Ultraschall-Wandlers 1 mit. Gold-Beschichtung 5 auf der Keramikscheibe 3 als wesentlich einfächer und auch in cjer Verwendung überlegen erwiesen.

4 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (1)

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   (i ·/ Piezo-Wandler (1), insbesondere für Ultraschall mit einer mit Elektroden versehenen Scheibe (3) aus Piezokeramik und mit einem Gehäuse (2), in dem die Scheibe (3) mit ihrer ·_ einen Fläche (31) praktisch'ohne Luftspalt mit einer entsprechenden Fläche (4) des Gehäuses gekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, •daß zwischen dieser Fläche (31) der Scheibe (3) ein duktiles Metall mit einem ausreichend hoch über der maximalen Verwendungstemperatur liegenden Schmelzpunkt angeordnet ist und daß dieses Metall als ganzflächige, an der Scheibe (3). anhaftende Beschichtung (5) vorliegt."

   2. Piezo-Wandler nach Anspruch 1, gekennzeich-

   . η e t , daß das Metall Gold -ist." ' '

   ■ ■ 3· Piezo-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß das Metall eine galvanisch verstärkte Schicht (5) ist.

   4. Piezo-Wandler nach Anspruch 1,2 oder 3, g e k e η nzeichnet dadurch , daß die Dicke der Schicht 10 bis 50μπι beträgt.
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