DE10109932A1 - Piezoelement zur Ultraschallerzeugung und piezoelektrischer Transducer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement zur Ultraschallerzeugung, insbesondere für die Ultraschallreinigung, mit einem einstückigen Körper (12) aus piezoelektrischem Material mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und wenigstens abschnittsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (14, 16, 18) versehen sind, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung der ersten Oberfläche wenigstens zwei elektrisch voneinander isolierte Elektroden (14, 16) zum Anlegen einer Betriebesspannung (U) aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die elektrisch leitfähige Beschichtung (18) der zweiten Oberfläche elektrisch von der ersten Elektrode (14) und der zweiten Elektrode (16) isoliert und wenigstens abschnittsweise gegenüberliegend der ersten Elektrode (14) und der zweiten Elektrode (16) angeordnet. DOLLAR A Verwendung z. B. für Ultraschallreinigungssysteme.

Description

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement zur Ultraschallerzeu­ gung, insbesondere für die Ultraschallreinigung, mit einem einstückigen Körper aus piezoelektrischem Material mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die im wesent­ lichen parallel zueinander angeordnet und wenigstens ab­ schnittsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung der ersten Oberfläche wenigstens zwei elektrisch voneinander isolierte Elektroden zum Anlegen einer Betriebsspannung auf­ weist.

Die Erfindung betrifft auch einen piezoelektrischen Transducer für die Ultraschallerzeugung, insbesondere für die Ultra­ schallreinigung, mit einer Schwingplatte zur Übertragung von Schwingungen auf ein Fluid.

Zur Erzeugung hochfrequenten Ultraschalls für die Ultraschall­ reinigung werden Piezokeramiken in Plattenform auf Schwing­ platten verschiedensten Materials, beispielsweise Metall, Glas oder Keramik, geklebt. Beide Seiten der Piezokeramik sind leitfähig beschichtet und die Beschichtungen werden über An­ schlusskabel mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden. Hier­ für muß die elektrisch leitfähige Beschichtung der Unterseite, d. h. der Seite der Piezokeramik, die auf die Schwingplatte aufgeklebt ist, umkontaktiert werden, indem die elektrisch leitfähige Beschichtung um eine Stirnseite der Piezokeramik herum oder zumindest auf die Stirnseite geführt wird, so dass sie für Anschlusskabel zugänglich ist. Durch den beschriebenen Aufbau der Piezokeramiken stellen diese einen Plattenkondensa­ tor dar. Bei der Ansteuerung mit einer Betriebsspannung hoher Frequenz hat dies zur Folge, dass ein Blindstrom durch diesen Kondensator fließt. Dieser ist um so größer, je höher die Fre­ quenz und je größer die Fläche der anzusteuernden Piezokeramik ist. Durch den Blindstrom wird das Hochfrequenzverhalten der Piezokeramik nachteilig beeinflusst.

Mit der Erfindung soll der Herstellungsprozeß von Piezokerami­ ken vereinfacht und deren Hochfrequenzverhalten verbessert werden.

Erfindungsgemäß ist hierzu ein Piezoelement zur Ultraschaller­ zeugung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 vorgesehen, bei dem die elektrisch leitfähige Beschichtung der zweiten Ober­ fläche elektrisch von der ersten und der zweiten Elektrode i­ soliert und wenigstens abschnittsweise gegenüberliegend der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.

Da die elektrisch leitfähige Beschichtung der zweiten Oberflä­ che elektrisch von der ersten und der zweiten Elektrode auf der ersten Oberfläche isoliert ist, kann die Piezokeramik aus­ schließlich von der Seite der ersten Oberfläche aus an der ersten und der zweiten Elektrode kontaktiert werden. Eine Um­ kontaktierung, d. h. ein Herumführen der Kontakte um eine Stirnseite der Piezokeramik, ist nicht mehr erforderlich. Die Anschlusskabel können mit den beiden auf der ersten Oberfläche liegenden Elektroden verbunden werden. In elektrischer Hinsicht liegt eine Reihenschaltung zweier Piezoelemente vor, wo­ durch sich ein verbessertes Hochfrequenzverhalten bei der Ult­ raschallerzeugung in Bereichen von 300 kHz bis 3 MHz ergibt. Im Vergleich zur herkömmlichen Piezoelementen kann eine Blind­ kapazität auf 25% verringert werden. Da das Piezoelement einen aus einem Stück gefertigten Körper aus piezoelektrischem Mate­ rial aufweist, schwingt das gesamte Piezoelement auf einer einheitlichen Resonanzfrequenz.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die auf der ersten Oberfläche angeordneten Elektroden die gleiche Flä­ chengröße aufweisen.

Durch diese Maßnahme wird eine gleichmäßige Anregung des pie­ zoelektrischen Materials erzielt, und es können gleich große elektrische Kapazitäten der Plattenkondensatoren erreicht wer­ den.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elekt­ rische leitfähige Beschichtung der zweiten Oberfläche diese vollständig bedeckt. Indem die zweite Oberfläche durchgehend beschichtet ist wird die Herstellung des Piezoelements verein­ facht, da die Beschichtung der zweiten Oberfläche nicht struk­ turiert werden muß.

In diesem Frequenzbereich ergibt sich eine besonders gute Rei­ nigungswirkung ohne Beschädigung feinster Strukturen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das piezoelektrische Mate­ rial plattenförmig ausgebildet.

Im Verbindung mit der speziellen erfindungsgemäßen Ausbildung des Piezoelements ist eine Plattenform besonders zweckmäßig. Als einstückige Platte oder Scheibe kann das piezoelektrische Material leicht beschichtet werden und ist besonders geeignet für das Aufkleben auf eine Schwingplatte zur Schwingungsüber­ tragung in eine Reinigungsflüssigkeit.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ei­ nen piezoelektrischen Transducer für die Ultraschallerzeugung, insbesondere für die Ultraschallreinigung, mit einer Schwing­ platte zur Übertragung von Schwingungen auf ein Fluid gelöst, der wenigstens ein erfindungsgemäßes Piezoelement aufweist, das mit seiner zweiten Oberfläche auf der Schwingplatte auf­ liegt und zur Schwingungsübertragung mit dieser verbunden ist.

Ein solcher piezoelektrischer Transducer ist zum einen einfach herstellbar, da die Piezoelemente auf die Schwingplatte bei­ spielsweise aufgeklebt werden können und eine Kontaktierung lediglich auf der, der Klebeseite gegenüberliegenden Seite des Piezoelements, erfolgen muß. Durch die verringerte Blindkapa­ zität des Piezoelements ist eine effektive Erzeugung hochfre­ quenten Ultraschalls möglich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den Ansprü­ chen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine Unteran­ sicht eines erfindungsgemäßen Piezoelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 zwei elektrische Ersatzschaltbilder des Piezoelements der Fig. 1 in unterschiedlichen Abstraktionsgraden und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transducers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In der Darstellung der Fig. 1 ist ein Piezoelement 10 in ver­ schiedenen Ansichten zu erkennen, das einen plattenförmigen Körper 12 aufweist, der aus einer Piezokeramik besteht. Eine erste Oberfläche der Piezokeramik 12 ist mit zwei elektrisch leitfähigen Elektroden 14 und 16 beschichtet, die die gleiche Flächengröße aufweisen und symmetrisch auf der Piezokeramik angeordnet sind. Wie in der Seitenansicht der Fig. 1 schema­ tisch angedeutet ist, wird eine Betriebsspannung U an die bei­ den Elektroden 14 und 16 angelegt.

Eine der ersten Oberfläche der Piezokeramik gegenüberliegende zweite Oberfläche ist mit einer durchgehenden, elektrisch leitfähigen Beschichtung 18 versehen. Wird eine entsprechend Fig. 1 gerichtete Betriebsspannung U an die beiden Elektroden 14 und 16 des Piezoelements 10 angelegt, wird die in der Fig. 1 obere Hälfte der Piezokeramik 12 entgegengesetzt formatiert wie die untere Hälfte, da sich das Potential der Beschichtung 18 auf eine mittlere Spannung einstellen wird, die zwischen den Potentialen der Elektroden 14 und 16 liegt. Die Elektrode 14 liegt daher auf höherem Potential als die Beschichtung 18 und die Beschichtung 18 liegt auf höherem Potential als die Elektrode 16.

Die Betriebsspannung U verursacht sowohl in dem oberen Ab­ schnitt 10a als auch in dem unteren Abschnitt 10b der Piezoke­ ramik 12 eine Dickenänderung, die, da sich das Potential der Beschichtung 18 auf ein mittleres Potential einstellt, in dem oberen und unteren Abschnitt 10a, 10b die gleiche Größe hat. Wird als Betriebsspannung U eine hochfrequente Spannung ange­ legt, schwingt die aus einem Stück gefertigte Piezokeramik 12 auf einer einheitlichen Frequenz, beispielsweise die Resonanz­ frequenz der Piezokeramik 12.

Wie in der Fig. 1 zu erkennen ist, muß die Beschichtung 18 nicht mehr um eine Stirnseite der Piezokeramik 12 herum auf deren ersten Oberfläche geführt werden. Dadurch ist die Her­ stellung des Piezoelements 10 erheblich vereinfacht.

Das in der Fig. 2 links dargestellte elektrische Ersatzschalt­ bild des Piezoelements 10 der Fig. 1 zeigt eine Reihenschal­ tung aus zwei Piezoelementen 10a und 10b, wobei das Piezoele­ ment 10a den oberen Abschnitt und das Piezoelement 10b den un­ teren Abschnitt des in der Fig. 1 dargestellten Piezoelements 10 repräsentiert. Durch diese Reihenschaltung der Abschnitte 10a und 10b ergibt sich ein deutlich verbessertes Hochfre­ quenzverhalten des Piezoelements 10. So kann die Blindkapazi­ tät des Piezoelements 10 gegenüber konventionellen Piezoelemen­ ten mit beidseitiger Kontaktierung auf 25% verringert werden.

Das in der Fig. 2 rechts dargestellte detailliertere Ersatz­ schaltbild zeigt ebenfalls deutlich die Reihenschaltung der Abschnitte 10a und 10b des Piezoelements 10. Der Kondensator C₀ repräsentiert jeweils die Kapazität des durch die Elektrode 14 bzw. 16 und die Beschichtung 18 gebildeten Plattenkondensa­ tors. Die Kapazität C1 repräsentiert jeweils den Reziprokwert der Federsteifigkeit der Piezokeramik 12. Die Induktivität L1 repräsentiert jeweils die träge Masse der Piezokeramik 12 und durch den Widerstand R1 werden jeweils interne und äußere Ver­ luste abgebildet.

Anhand des in der Fig. 2 rechts dargestellten Ersatzschalt­ bilds kann das elektrische Verhalten sowie eine Resonanzfre­ quenz des Piezoelements 10 bestimmt werden.

In der schematischen Darstellung der Fig. 3 ist ein piezo­ elektrischer Transducer 20 zu erkennen, der die Bodenfläche eines Reinigungsbeckens 22 bildet. In das Reinigungsbecken 22 kann eine Reinigungsflüssigkeit eingefüllt werden, in die mit­ tels des Transducers 20 Ultraschallschwingungen übertragen werden.

Der Transducer 20 weist eine Schwingplatte 24 auf, die bei­ spielsweise aus Quarzglas gefertigt ist. Auf eine, dem Reini­ gungsbecken 22 abgewandte Oberfläche der Schwingplatte 24 sind mehrere Piezoelemente 10 aufgeklebt, die elektrisch mit einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator verbunden werden können. Die Piezoelemente 10 sind, entsprechend der Darstel­ lung der Fig. 1, mit ihrer Beschichtung 18 auf die Schwing­ platte 24 aufgeklebt, so dass eine Kontaktierung der Piezoele­ mente 12 auf der jeweiligen, dem Reinigungsbecken 22 abgewand­ ten Oberfläche erfolgen kann. Die Schwingplatte 24 ist in ih­ rer Dicke so bemessen, dass die bei der Resonanzfrequenz der Piezoelemente 10 als λ/2-Schwinger wirkt und dadurch für eine effektive Übertragung der von den Piezoelementen 10 erzeugten Ultraschallschwingungen in die Reinigungsflüssigkeit sorgt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist wenigstens ein Transducer 20 im Bereich wenigstens einer Seitenwand eines Reinigungsbeckens vorgesehen.

Claims (6)

1. Piezoelement zur Ultraschallerzeugung, insbesondere für die Ultraschallreinigung, mit einem einstückigen Körper (12) aus piezoelektrischem Material mit einer ersten Oberfläche und ei­ ner zweiten Oberfläche, die im wesentlichen parallel zueinan­ der angeordnet und wenigstens abschnittsweise mit einer elekt­ risch leitfähigen Beschichtung versehen sind, wobei die elekt­ risch leitfähige Beschichtung der ersten Oberfläche wenigstens zwei elektrisch voneinander isolierte Elektroden (14, 16) zum Anlegen einer Betriebsspannung aufweist, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (18) der zweiten Oberfläche elektrisch von der ersten und der zweiten Elektrode isoliert und wenigstens abschnittsweise gegenüber­ liegend der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.

2. Piezoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der ersten Oberfläche angeordneten Elektroden (14, 16) die gleiche Flächengröße aufweisen.

3. Piezoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (18) der zweiten Oberfläche diese vollständig bedeckt.

4. Piezoelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement für eine Ultraschaller­ zeugung im Bereich von 300 KHz bis 3 MHz ausgebildet ist.

5. Piezoelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (12) plat­ tenförmig ausgebildet ist.

6. Piezoelektrischer Transducer für die Ultraschallerzeugung, insbesondere für die Ultraschallreinigung, mit einer Schwing­ platte zur Übertragung von Schwingungen auf ein Fluid, gekenn­ zeichnet durch wenigstens ein Piezoelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das mit seiner zweiten Oberfläche auf der Schwingplatte (24) aufliegt und zur Schwingungsübertragung mit dieser verbunden ist.