CN107029973A - 具有焊接在其上的连接器的换能器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括压电元件(3)的换能器(2)。第一电极(6)被设置在压电元件(3)的第一表面上，第二电极(7)被设置在压电元件(3)的第二表面上。第一电极(6)和/或第二电极(7)沿着使得第一表面和第二表面互连的中间表面(8)的一部分延伸。第一铲式连接器(9)被焊接在第一电极(6)的一部分上，以及第二铲式连接器(10)被焊接在第二电极(7)的一部分上。换能器(2)适于以自动化方式被制造。

Description

具有焊接在其上的连接器的换能器
技术领域
本发明涉及包括压电元件的换能器。压电元件包括第一电极和第二电极。连接器被焊接到压电元件的电极上。本发明还涉及一种用于制造换能器的方法
背景技术
诸如超声波换能器等的换能器经常包括主动振动元件，例如压电元件的形式。压电元件一般地被封装在壳体中，该壳体用作进入到介质的超声波窗口，换能器应当在介质中传送和/或接收压力波。此外，压电元件一般地包括一个或多个电极层，该电极层直接施加在压电元件的一个或多个表面上。通过接触这些电极，例如，借助于连接到电极上的导线，而实现到压电元件的电接触。之前，手动地执行接触过程。这是耗时的并且在电极和接触导线之间提供了不可靠的电接触。
US 8,136,411 B2公开了用于超声波流量计的压电组件。压电元件包括第一面和第二面。第一电极接合第一面，并且第二电极接合第二面。导电垫片连接器被连接到第一电极，并且第一导线被电连接到垫片连接器。
DE 10 2009 052 814 B3公开了超声波换能器，该换能器包括具有前侧和后侧的压电元件，各侧被设置有电极。至少一个电极沿着压电元件的使得前侧和后侧互连的表面延伸。电连接元件(导线的形式)被设置成与电极接触。
在US 8,136,411 B2和DE 10 2009 052 814 B3中公开的压电元件不适于自动化制造。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种换能器，该换能器适于在自动化制造过程中被制造。
本发明的实施例的另一目的是提供一种换能器，其中以可靠的方式提供电极和连接器之间的电接触。
本发明的实施例的又一目的是提供一种用于以自动化方式制造换能器的方法。
根据第一方面，本发明提供一种换能器，该换能器包括压电元件，该压电元件包括：第一电极，所述第一电极被设置在压电元件的第一表面上；第二电极，所述第二电极被设置在压电元件的第二表面上，第二表面被设置成与第一表面相反；以及中间表面，所述中间表面使得第一表面和第二表面互连，
其中，第一电极沿着中间表面的至少一部分朝向第二表面延伸，和/或第二电极沿着中间表面的至少一部分朝向第一表面延伸，
换能器还包括焊接在第一电极的一部分上的第一铲式连接器，所述第一铲式连接器具有第一自由连接器端；以及焊接在第二电极的一部分上的第二铲式连接器，所述第二铲式连接器具有第二自由连接器端，所述第一自由连接器端和所述第二自由连接器端被设置在压电元件的相同侧。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种包括压电元件的换能器。在本文中，术语“换能器”应当被理解为意味着适于将一种能量形式的信号转换为另一种能量形式的信号的装置。例如，超声波换能器适于将声波转换为电信号。由此，超声波换能器可以是例如用于超声波流量测量的超声波能量计等。
在本文中，术语“压电元件”应当被理解为意味着如下的元件：该元件响应于施加到元件上的机械应力能够积累电荷。因此，形成超声波换能器的一部分的压电元件能够响应于在设置超声波换能器的介质中传播的声波而积累电荷。
压电元件包括设置在压电元件的第一表面上的第一电极和设置在压电元件的第二表面上的第二电极。第二表面设置成与第一表面相反。因此，第一电极和第二电极也被设置成彼此相反。例如，第一表面和第二表面可以基本上彼此平行地延伸，其中在此情况下，第一表面和第二表面在它们之间被设置一距离，该距离沿着所述表面不会改变。
压电元件还包括使得第一表面和第二表面互连的中间表面。例如，压电元件可以具有盘形形状，在此情况下，第一和第二表面形成圆盘的平坦的且相反的侧面，并且中间表面形成设置在圆盘的平坦的且相反的侧面之间的圆柱形表面。
第一电极沿着中间表面的至少一部分朝向第二表面延伸，和/或第二电极沿着中间表面的至少一部分朝向第一表面延伸。因此，第一电极可以从第一表面延伸到中间表面的一部分上，然而第二电极只被设置在第二表面上。作为替代方案，第二电极可以从第二表面延伸到中间表面的一部分上，然而第一电极只被设置在第一表面上。作为另一替代方案，第一电极和第二电极都可以延伸到中间表面上。电极可以整体地延伸到相反表面的边缘处，或者甚至延伸到相反表面的一部分上。替代地，电极可以只沿着从支承电极的表面到相反表面的路径的一部分延伸。
当电极中的至少一个延伸到中间表面时，比较容易接触到两个电极，并且容易在远离压电元件的相同方向上朝向信号处理单元等传递来自两个电极的电信号。
第一铲式连接器被焊接在第一电极的一部分上，并且第二铲式连接器被焊接第二电极的一部分上。在本文中，术语“铲式连接器”应当被理解为意味着是刚性的且能够保持形状的连接器。有利的是，借助于被焊接到电极上的铲式连接器来建立到电极的电连接。焊接技术在电极和铲式连接器之间提供好的电连接。因为铲式连接器是刚性的且能够保持形状的，所以它们能够简单地被定位成靠近电极，并且在执行焊接的同时在不需要其他的支撑的情况下，它们将能够保持在该位置中，这允许完全自动化地执行焊接步骤，并且由此能够以节约成本和可靠的方式制造换能器，这明显地降低了电极和连接器之间的连接失效的风险。此外，铲式连接器能够简单地被供给到自动化生产线中，例如使用带卷、散装式供料器等，由此使得本发明的换能器非常适于在自动化制造过程中被制造。
第一/第二铲式连接器可以被焊接到第一/第二电极的被设置在第一/第二表面上的一部分上，被焊接在第一/第二电极的沿着中间表面延伸的一部分上，或者甚至被焊接到第一/第二电极的延伸到第二/第一表面的一部分上。
所述第一铲式连接器具有第一自由连接器端，并且第二铲式连接器具有第二自由连接器端。所述第一自由连接器端和所述第二自由连接器端被设置在压电元件的相同侧。在本文中，术语“自由连接器端”应当被理解为意味着铲式连接器的被设置为与连接到压电元件的电极的端部相反的端部。铲式连接器的自由连接器端一般地被连接到信号处理单元等。有利地，第一自由连接器端和第二自由连接器端被设置在压电元件的相同侧，因为这使得容易将两个自由连接器端连接到被设置在压电元件的那一侧的信号处理单元等。
如上所述，第一电极和第二电极可以沿着中间表面的至少一部分延伸。根据该实施例，第一铲式连接器和第二铲式连接器可以被焊接到相应电极的沿着中间表面延伸的一部分上。
第一电极可以延伸到第二表面上和/或第二电极可以延伸到第一表面上。例如，第一电极可以只设置在第一表面上，然而第二电极可以经由中间表面延伸自第二表面并且延伸到第一表面的一部分上。由此，第一铲式连接器和第二铲式连接器可以被焊接到相应电极的设置在第一表面上的一部分上。这使得非常便利地经由铲式连接器将两个电极连接到相同的信号处理单元等。
因此，第一铲式连接器可以被焊接在第一电极的被设置在第一表面上的一部分上，并且第二铲式连接器可以被焊接第二电极的沿着中间表面设置的一部分上和/或被焊接在第二电极的被设置在第一表面上的一部分上。
第一铲式连接器和/或第二铲式连接器可以被焊接到第一/第二电极的沿着中间表面设置的一部分上。如上所述，该实施例使得便利地经由铲式连接器将两个电极连接到相同的信号处理单元等。
第一铲式连接器和/或第二铲式连接器沿着至少一个方向可以是挠性的。根据本实施例，第一铲式连接器和/或第二铲式连接器能够吸收压电元件和/或铲式连接器的微小移动，由此防止建立在电极和铲式连接器之间的电接触被断开。此种微小移动可以是由压电元件和/或铲式连接器由于温度变化而形成的膨胀和收缩引起的。
例如，第一铲式连接器和/或第二铲式连接器沿着基本上垂直于第一表面和/或第二表面的方向可以是挠性的。通常地，铲式连接器将沿着基本上垂直于第一表面和/或第二表面的方向远离压电元件延伸。因此，根据该实施例，第一铲式连接器和/或第二铲式连接器在如下的方向上是挠性的，第一铲式连接器和/或第二铲式连接器在该方向上在电极和信号处理单元等上的接触点之间延伸。这是有利的，因为这明显地降低了由于例如热膨胀和收缩造成的铲式连接器和/或压电元件的微小移动所引起的电极和铲式连接器之间的电连接断开的风险。
通过将铲式连接器设置为具有固有的弹性，例如通过将铲式连接器设置有适当的弯曲部，可以获得铲式连接器的沿着基本上垂直于压电元件的第一表面和/或第二表面的方向的挠性。
第一/第二铲式连接器和第一/第二电极之间的接触面积可以形成第一/第二铲式连接器的总表面面积的一小部分。由此，在焊接过程中引入的第一电极和/或第二电极上的热负载被限制到第一/第二电极的总面积的一小部分。此外，最小化由焊接材料引入的压电元件上的振动负载。
替代地或另外地，第一/第二铲式连接器和第一/第二电极之间的接触面积形成第一/第二电极的总表面面积的一小部分。因此，这也将在焊接过程中引入的第一电极和/或第二电极上的热负载限制到第一/第二电极的总面积的一小部分。
例如，第一/第二铲式连接器和第一/第二电极之间的接触面积形成第一/第二电极的总面积的1％至20％之间，诸如1％至15％之间，诸如2％至10％之间，诸如2％至5％之间，诸如3％至4％之间。
第一铲式连接器和/或第二铲式连接器可以是自支撑的。
根据本发明的第二方面，提供一种用于制造换能器的方法，所述方法包括如下的步骤：
-提供压电元件，所述压电元件包括第一表面，被设置成与第一表面相反的第二表面以及使得第一表面和第二表面互连的中间表面；
-在第一表面上提供第一电极并且在第二表面上提供第二电极，第一电极和/或第二电极进一步沿着中间表面的至少一部分朝向第二/第一表面延伸；
-将第一铲式连接器定位成靠近第一电极的一部分并且第二铲式连接器定位成靠近第二电极的一部分，第一铲式连接器具有第一自由连接器端，所述第二铲式连接器具有第二自由连接器端，所述第一自由连接器端和所述第二自由连接器端被设置在压电元件的相同侧，以及
-将第一铲式连接器焊接在第一电极的一部分上并且第二铲式连接器焊接在第二电极的一部分上。
应当注意，本领域的技术人员将容易意识到结合本发明的第一方面描述的任何特征可以与本发明的第二方面组合，反之亦然。例如，根据本发明的第二方面的方法可以被用于制造根据本发明的第一方面的换能器。上文提及的评论因此在此处同样适用。
根据本发明的第二方面的方法，首先提供一种压电元件。如上参考本发明的第一方面所述，压电元件包括第一表面、第二表面和中间表面。
接下来，第一电极被设置在第一表面上，并且第二电极被设置在第二表面上。此外，第一电极和/或第二电极沿着中间表面的至少一部分朝向第二/第一表面延伸，如上参考本发明的第一方面所述。
接下来，将第一铲式连接器定位成靠近第一电极的一部分并且第二铲式连接器定位成靠近第二电极的一部分。如上所述，第一/第二铲式连接器可以被设置成：靠近第一/第二电极的沿着第一/第二表面延伸的一部分，靠近第一/第二电极的沿着中间表面延伸的一部分，或者甚至靠近第一/第二电极的延伸到第二/第一表面的一部分。
如上所述，第一铲式连接器具有第一自由连接器端，所述第二铲式连接器具有第二自由连接器端，所述第一和第二铲式连接器相对于压电元件被设置成使得第一自由连接器端和第二自由连接器端被设置在压电元件的相同侧。
最后，第一铲式连接器被焊接在第一电极的一部分上并且第二铲式连接器被焊接在第二电极的一部分上。
因为连接器是铲式连接器的形式，在焊接步骤中，在不需要连接器的额外支撑的情况下，它们将保持在靠近第一和第二电极的位置中。这允许以非手动的方式执行焊接步骤，这保证了电极和铲式连接器之间的可靠电连接，并且降低了制造成本。
因此，以自动化方式至少执行焊接步骤，由此提供节约成本的制造方法以及电极和铲式连接器之间的均一质量的可靠电连接。
该方法还可以包括如下的步骤：在定位第一铲式连接器和第二铲式连接器的步骤之前，将焊料提供到第一铲式连接器和第二铲式连接器上。根据本实施例，焊料被直接施加到铲式连接器上，例如在制造铲式连接器期间。这允许在受控的条件下施加焊料，并且没有必要在焊接过程中控制焊料的施加。此外，容易执行焊接过程，由此使得焊接过程更加适于自动化。例如，焊料可以被施加到铲式连接器以作为铲式连接器的涂层或表面处理的一部分。或者，焊料可以形成制造铲式连接器的合金的一部分。
借助于感应加热可以执行焊接步骤。根据本实施例，在焊接过程期间，只发生压电元件的局部加热。这降低了破坏压电元件的晶体的风险。作为替代方案，可以以任何其他适当的方式执行焊接步骤，例如借助于烤炉，借助于热压焊机，借助于热电极等。
焊接步骤可以包括将焊料分配到铲式连接器和/或电极上。根据本实施例，在焊接步骤期间，优选地自动地且连续地分配焊料。由此保证了施加均匀量的焊料。
附图说明
以下将参考附图更加详细地说明本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的包括两个换能器的超声波流量计的立体剖视图，
图2是根据本发明的实施例的换能器的立体剖视图，
图3a-6b是根据本发明的多个实施例的用在换能器中的压电元件的立体图。
具体实施方式
图1示出了超声波流量计1的立体剖视图。两个换能器2被安装在超声波流量计1的上部中，其中压电元件3的一侧面对在流道4中流动的流体。两个反射器5被进一步安装在流道4中。两个换能器2发出超声波，该超声波被反射器5反射并且在另一个换能器2处被接收。当从一个反射器5传播到另一个反射器5时，由换能器2中的一个发出的超声波在流体流动的方向上传播，并且由换能器2中的另一个发出的超声波在与流体流动的方向相反的方向上传播。基于由换能器2接收到的超声波，能够推导出流体流动的速度。
图2是根据本发明的实施例的换能器2的立体剖视图。换能器2包括压电元件3，该压电元件具有盘形状，并且具有第一表面和第二表面，第一表面具有被设置在第一表面上的第一电极6，第二表面具有被设置在第二表面上的第二电极7。第一表面被设置成与第二表面相反。压电元件3还包括中间表面8，该中间表面8使得第一表面和第二表面互连。中间表面8具有大致圆柱形形状。
第二电极7的一部分7a沿着中间表面8的一部分延伸，并且进一步延伸到第一表面上。由此，第二电极7的一小部分被设置在第一表面上。
第一铲式连接器9被焊接在第一电极6的被设置在第一表面上的一部分上。此外，第二铲式连接器10被焊接第二电极7的被设置在第一表面上的一部分上。因此，第一铲式连接器9以及第二铲式连接器10被焊接在第一表面上，但是第一电极6和第二电极7通过铲式连接器9、10中的一个接触，即，两个电极6、7在压电元件3的相同侧上接触。
第一铲式连接器9包括第一自由连接器端11，第二铲式连接器10包括第二自由连接器端12。第一自由连接器端11和第二自由连接器端12被设置在压电元件3的相同侧上。这允许自由连接器端11、12容易被连接到信号处理单元等。
第一铲式连接器9和第二铲式连接器10都设置有弯曲部13、14。弯曲部13、14沿着基本上垂直于压电元件3的第一表面的方向向铲式连接器9、10提供挠性。因此，在铲式连接器9、10执行有限的移动的情况下，例如，由于铲式连接器9、10的热膨胀和/或收缩，铲式连接器9、10的固有挠性保证电极6、7以及铲式连接器9、10之间的电连接不被破坏。
有利地，在电极6、7和信号处理装置等之间建立电连接的连接器是被焊接在电极6、7上的铲式连接器9、10的形式，因为铲式连接器9、10是刚性的，由此允许铲式连接器9、10被定位成靠近电极6、7，并且在不需要额外的支撑的情况下在被焊接到电极6、7上的情况下，它们将被保持在该位置中。这允许以自动的方式执行焊接步骤，由此降低制造成本。此外，当连接器不需要被手动连接时，保证了电极6、7和铲式连接器9、10之间的电连接的均一质量。
图3a和3b是从两个不同角度观察到的根据本发明的第一实施例的用在换能器中的压电元件3的立体图。图3a和3b的压电元件3与如图2所示的压电元件3等同。
压电元件3包括设置在压电元件3的第一表面上的第一电极6，被设置在压电元件3的第二表面上的第二电极7。中间表面8使得第一表面和第二表面互连。
从图3a中可以看出，第二电极7的一部分7a沿着中间表面8的一部分延伸，并且进一步延伸到第一表面上。由此，第一电极6必须在第一表面处被接触，然而第二电极7可以在第二表面、中间表面8或第一表面处被接触。
从图3a中可以看出，第一电极6不被设置在第一表面的设置有第二电极7的一部分7a的部分中，并且在第一电极6和第二电极7之间存在距离，从而保证电极6、7彼此电隔离。
图4a和4b是从两个不同角度观察到的根据本发明的第二实施例的用在换能器中的压电元件3的立体图。图4a和4b的压电元件3与图3a和3b的压电元件3非常类似，因此这里将不具体说明。
在图4a和4b的压电元件3中，第二电极7的一部分7a也沿着中间表面8延伸。然而，第二电极7的一部分7a只延伸到第一表面的边缘，并且不延伸到第一表面上。因此，在此情况下，第二电极7只可以在第二表面、或者中间表面8处被接触到。
从图4a中可以看出，第一电极6不被设置在第一表面的如下部分中：该部分特别靠近第二电极7的沿着中间表面8延伸的部分7a的位置。这是为了保证两个电极6、7彼此电隔离。然而，如图4a和4b所示的第一电极6的面积大于如图3a和3b所示的第一电极6的面积。
图5a和5b是从两个不同角度观察到的根据本发明的第三实施例的用在换能器中的压电元件3的立体图。图5a和5b的压电元件3与图3a至4b的压电元件3非常类似，因此这里将不具体说明。
在图5a和5b的压电元件3中，第二电极7的一部分7a也沿着中间表面8的一部分延伸。然而，该部分只在到第一表面的路径的一部分上延伸，从而在第二电极7的部分7a的端部和第一表面的边缘之间留有间隙。该间隙保证第一电极6和第二电极7之间所需的电隔离。由此，第一电极6能够被施加到压电元件3的基本上整个第一表面，并且第一电极6的面积因此被最大化。
图6a和6b是从两个不同角度观察到的根据本发明的第四实施例的用在换能器中的压电元件3的立体图。图6a和6b的压电元件3与图3a至5b的压电元件3非常类似，因此这里将不具体说明。
在图6a和6b的压电元件3中，第二电极7的一部分7a沿着中间表面8的一部分延伸，与如图5a和5b所示的方式类似，并且如上所述。此外，第一电极6的一部分6a也沿着中间表面8的一部分延伸。
因此，在图6a和6b的压电元件3中，第一电极6可以在第一表面处或者在中间表面8处被接触到，并且第二电极7可以在第二表面处或中间表面8处被接触到。
在图6a和6b中，第一铲式连接器9被焊接在第一电极6的沿着中间表面8延伸的一部分6a上。类似地，第二铲式连接器10被焊接在第二电极7的沿着中间表面8延伸的一部分7a上。

Claims (16)

1.一种换能器(2)，该换能器包括压电元件(3)，该压电元件(3)包括：第一电极(6)，所述第一电极被设置在压电元件(3)的第一表面上；第二电极(7)，所述第二电极被设置在压电元件(3)的第二表面上，第二表面被设置成与第一表面相反；以及中间表面(8)，所述中间表面将第一表面和第二表面互连，
其中，第一电极(6)沿着中间表面(8)的至少一部分朝向第二表面延伸，和/或第二电极(7)沿着中间表面(8)的至少一部分朝向第一表面延伸，
换能器(2)还包括：焊接在第一电极(6)的一部分上的第一铲式连接器(9)，所述第一铲式连接器(9)具有第一自由连接器端(11)；以及焊接在第二电极(7)的一部分上的第二铲式连接器(10)，所述第二铲式连接器(10)具有第二自由连接器端(12)，所述第一自由连接器端(11)和所述第二自由连接器端(12)被设置在压电元件(3)的相同侧。
2.根据权利要求1所述的换能器(2)，其中第一电极(6)和第二电极(7)沿着中间表面(8)的至少一部分延伸。
3.根据权利要求1或2所述的换能器(2)，其中第一电极(6)延伸到第二表面上和/或第二电极(7)延伸到第一表面上。
4.根据权利要求3所述的换能器(2)，其中第一铲式连接器(9)被焊接在第一电极(6)的被设置在第一表面上的一部分上，并且其中第二铲式连接器(10)被焊接在第二电极(7)的沿着中间表面(8)设置的一部分(7a)上和/或被焊接在第二电极(7)的被设置在第一表面上的一部分上。
5.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中第一铲式连接器(9)和/或第二铲式连接器(10)被焊接在第一/第二电极(6、7)的沿着中间表面(8)设置的一部分(6a、7a)上。
6.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中第一铲式连接器(9)和/或第二铲式连接器(10)沿着至少一个方向是挠性的。
7.根据权利要求6所述的换能器(2)，其中第一铲式连接器(9)和/或第二铲式连接器(10)沿着基本上垂直于第一表面和/或第二表面的方向是挠性的。
8.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中，第一/第二铲式连接器(9、10)和第一/第二电极(6、7)之间的接触面积形成第一/第二铲式连接器(9、10)的总表面面积的一小部分。
9.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中，第一/第二铲式连接器(9、10)和第一/第二电极(6、7)之间的接触面积形成第一/第二电极(6、7)的总表面面积的一小部分。
10.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中，第一/第二铲式连接器(9、10)和第一/第二电极(6、7)之间的接触面积在第一/第二电极(6、7)的总面积的1％至20％之间。
11.根据前述权利要求的任一项所述的换能器(2)，其中，第一铲式连接器(9)和/或第二铲式连接器(10)是自支撑的。
12.一种用于制造换能器(2)的方法，所述方法包括如下的步骤：
提供压电元件(3)，所述压电元件包括第一表面、被设置成与第一表面相反的第二表面以及将第一表面和第二表面互连的中间表面(8)；
在第一表面上提供第一电极(6)并且在第二表面上提供第二电极(7)，第一电极(6)和/或第二电极(7)还沿着中间表面(8)的至少一部分朝向第二/第一表面延伸；
将第一铲式连接器(9)定位成邻近第一电极(6)的一部分并且第二铲式连接器(10)定位成邻近第二电极(7)的一部分，第一铲式连接器(9)具有第一自由连接器端(11)，所述第二铲式连接器(10)具有第二自由连接器端(12)，所述第一自由连接器端(11)和所述第二自由连接器端(12)被设置在压电元件(3)的相同侧，以及
将第一铲式连接器(9)焊接在第一电极(6)的所述一部分上并且将第二铲式连接器(10)焊接在第二电极(7)的所述一部分上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，至少焊接步骤以自动化方式执行。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括如下的步骤：在定位第一铲式连接器(9)和第二铲式连接器(10)的步骤之前，将焊料提供到第一铲式连接器(9)和第二铲式连接器(10)上。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中借助于感应加热来执行焊接步骤。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其中焊接步骤包括将焊料分配到铲式连接器(9、10)和/或电极(6、7)上。
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