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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Optimierung eines Piezoantriebs für einen solchen Vibrationssensor gemäß Patentanspruch 15.
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Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren verschiedener Art bekannt. Eingesetzt werden diese häufig als Vibrations-Grenzstandschalter mit einer in Schwingung versetzbaren Membran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran sowie einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger bekannt, wobei als Antrieb häufig piezoelektrische Elemente zum Einsatz kommen. Derartige Vibrations-Grenzstandschalter werden insbesondere zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen in Behältern für fließfähige und fluidisierbare Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrations-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit dem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfrequenz der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mechanischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beeinflusst wird.
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Die aus dem Stand bekannten Vibrationssensoren werden häufig mit einem geklebten Antriebe betrieben, wobei bei dieser Antriebsart ein scheibenförmig ausgebildetes Piezoelement unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoelement mit der Membran in Schwingung zu versetzen und Schwingungen der Membranen erfassen und in ein Messsignal überführen zu können weißt das Piezoelement wenigstens zwei elektrische Kontaktierungen auf. Wenigstens eine erste elektrische Kontaktierung ist auf einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektronische Kontaktierung auf einer Unterseite der Piezoelements aufgebracht. Typischerweise werden zur Kontaktierung des Piezoelements flächig aufgebrachte Metallisierungen verwendet.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoelektrischen Antrieben ist die Unterseite des Piezoelements, d.h. eine der Membran zugewandte Oberfläche des Piezoelements, in der Regel vollflächig kontaktiert während die Oberfläche des Piezoelements die von der Membran wegweisende Oberfläche des Piezoelements entweder mit einer oder mit mehreren elektrischen Kontaktierungen versehen ist. Beispielsweise kann die Oberseite des Piezoelements vierfach segmentiert sein und es können jeweils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete Segmente gemeinsam elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist es möglich über zwei der Kontaktierungen Bewegung in die Membran einzukoppeln und gleichzeitig über die beiden anderen Kontaktierungen eine Schwingungsresonanzfrequenz und/oder Amplitude der Membran zu erfassen. Ist die Oberfläche nicht segmentiert kontaktiert, so können Anregung und Detektion nur sequenziell durchgeführt werden.
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Bei den typischerweise eingesetzten Piezoelementen wird zur Detektion eine Spannung erzeugt, welche proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist. Umgekehrt wird eine angelegte Spannung in eine angelegte Spannung proportionale Krümmung des Piezoelements umgesetzt.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren werden Geometrie sowie die Form der elektrischen Kontaktierung der Piezoelemente durch Versuche ermittelt. Die Piezoelemente sind typischerweise scheibenförmig ausgestaltet und haben aufgrund der verwendeten Herstellungstechnologie in der Regel eine kreisrunde Grundfläche. Wie bereits erwähnt wird typischerweise die Unterseite des Piezoelements vollflächig kontaktiert. Je nach Einsatzgebiet ist es im Stand der Technik ferner üblich, die Oberseite des Piezoelements entweder mit einer elektrischen Kontaktierung vollflächig oder mehrfach segmentiert mit einer ebenfalls annähernd vollflächigen Kontaktierung zu versehen. Bei manchen Ausprägungen wird die Unterseite nicht kontaktiert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrationssensor mit einem Piezoantrieb derart weiterzubilden, dass dieser ein verbessertes Empfangssignal aufweist, eine angelegte Spannung verbessert in eine mechanische Schwingung übersetzt und dadurch eine verbesserte Signaldetektion ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Optimierung eines piezoelektrischen Antriebs für einen Vibrationssensor anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Optimierung eines Piezoantriebs für einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegebenen.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran sowie zur Erfassung von Schwingungen der Membran weist einen an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger sowie wenigstens ein Piezoelement mit wenigstens einer ersten elektrischen Kontaktierung einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens einer zweiten elektrische Kontaktierung einer Unterseite des Piezoelements auf und zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Piezoelement derart ausgestaltet ist, dass eine wirksame Fläche des Piezoelements einer Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichteter Krümmung der Membran bei einer vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers entspricht.
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Die an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger können verschiedenartig ausgestaltet sein und jeweils eine Mehrzahl verschiedener Eigenmoden aufweisen.
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Eine Eigenmode tritt jeweils bei einer zugrundeliegenden durch die geometrische Ausgestaltung des Schwingungssystems vorgegebenen Resonanzfrequenz auf, wobei sich die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Eigenmoden voneinander unterscheiden. Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Vibrationssensoren existieren bevorzugte Eigenmoden, die sich bspw. dadurch auszeichnen, dass diese hinsichtlich einer Kraft- und/oder Momentenübertragung auf einen Prozessanschluss, mittels dem der Vibrationssensor in einem Behälter angeordnet ist, optimiert sind. Bevorzugt werden dabei Eigenmoden und dazu korrespondierende Resonanzfrequenzen, bei denen eine Kraft- und Momentenübertragung minimal ist. In der Regel wird damit die vorgegebene Eigenmode dieser bevorzugten Eigenmode entsprechen und der piezoelektrische Antrieb hierauf optimiert seien.
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Als wirksame Fläche des Piezoelements wird in der vorliegenden Anmeldung die Fläche verstanden, die zur Detektion einer Schwingung der Membran und/oder zur Übertragung einer Schwingung auf die Membran mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts genutzt wird.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass aufgrund der Tatsache, dass eine von den verwendeten Piezoelementen erzeugte piezoelektrische Spannung proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist bei sämtlichen Schwingungssystemen sowohl positive als auch negative Spannungsanteile überlagert werden und damit einer erzielbare Signalamplitude verringert wird. Ein Grund für die positiven und negativen Signalanteile liegt darin, dass die verwendete Membran bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers sowohl positive als auch negative Krümmungsanteile aufweist, die bei den Vibrationssensoren aus dem Stand der Technik abgegriffen und deren Signal überlagert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Idee zugrunde, ausschließlich gleichgerichtete Signalanteile zur Signalauswertung zu verwenden und auch nur die Anteile der Membran in Schwingung zu versetzen, die bei der vorgegebenen Eigenmode bzw. der dazu korrespondierenden Resonanzfrequenz sich in die gleiche Richtung verformen. Durch eine finite Elementsimulation wurde die im Membran Verformung bei einer bevorzugten Eigenmode untersucht und durch Bildung der zweiten Ableitung die entsprechende Krümmung der Membran, die proportional zur erzielbaren Piezospannung ist, ermittelt. Wird eine Piezospannung zur Signaldetektion nur in dem Bereich gleichgerichteter Krümmung der Membran abgegriffen und/oder eine Spannung nur in diesem Bereich angelegt, um eine mechanische Verformung der Membran hervorzurufen, so werden die erzielbare elektrische und mechanische Amplitude maximal und damit die Signalermittlung optimiert.
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Eine Beschränkung der wirksamen Fläche des Piezoelements auf eine Fläche einer mechanischen Verformung gleichgerichteter Krümmung der Membran kann bspw. dadurch erfolgen, dass wenigsten eine der elektrischen Kontaktierungen angepasst ist und einer Fläche aufweist, die im Wesentlichen einer Fläche der gleichgerichteten Krümmung der sich bei der vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers ausbildenden Verformung der Membran entspricht. Durch das Abgreifen einer Piezospannung nur im Bereich gleichgerichteter Krümmung wird eine größere Spannungsamplitude erzielt und damit auch eine bessere Detektion der relevanten Schwingungsfrequenz ermöglicht. Ein im System auftretendes Rauschen hat signaltechnisch einen größeren Abstand zum Nutzsignal. Der Signal-Rausch-Abstand wird erhöht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform verläuft eine Außenkontur der Fläche entlang einer Linie eines Krümmungswechsels der Membran bei der vorgegebenen Eigenmode.
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Unter Krümmungswechsel wird in der vorliegenden Anmeldung ein Wechsel des Vorzeichens der zweiten Ableitung der Membranverformung verstanden.
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In einer besonders einfach herzustellenden Variante des Vibrationssensors der vorliegenden Anmeldung ist die erste Kontaktierung angepasst und die zweite Kontaktierung im Wesentlichen vollflächig auf die Unterseite des Piezoelements aufgebracht. Durch eine derartige Ausgestaltung können Zu- und Ableitungen für die elektrische Kontaktierung des Piezoelements besonders einfach realisiert und damit Herstellungskosten eingespart werden.
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Die elektrischen Kontaktierungen des Piezoelements können besonders einfach durch Metallisierungen einer Oberfläche des Piezoelements realisiert werden. Entsprechende Metallisierungen können durch selektive Beschichtungsverfahren oder mit Hilfe fotolithografischer Verfahren, die bspw. auf der Halbleiterindustrie wohlbekannt sind, einfach hergestellt und kostengünstig realisiert werden.
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Eine Optimierung der erzielbaren Signalamplitude bzw. Schwingungsamplitude kann erreicht werden, wenn bei einem Piezoelement mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundfläche Flächenabschnitte, der Oberseite, die über die Außenkontur der ersten Konaktierung hinausgehen, vor der ersten Kontaktierung isoliert mit einer dritten elektrischen Kontaktierung elektrische kontaktiert und mit der zweiten Kontaktierung verbunden sind.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass die über die Außenkontur der ersten Kontaktierung hinaus gehenden Flächenausschnitte quasi kurzgeschlossen werden sodass sich lediglich eine Kapazität im Bereich der ersten Kontaktierung ausbildet und somit an dieser eine größere elektrische Spannung abgreifbar ist. Auch bei der Anregung des Piezoelements teilt sich eine angelegte Anregespannung nicht auf, so dass ein größeres elektrisches Feld und damit eine größere mechanische Bewegung des Piezoelements erreicht werden kann.
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Eine Verbindung der Flächenabschnitte und der zweiten Kontaktierung kann bspw. durch eine über den Rand des Piezoelements geführte als Metallisierung ausgebildete Umkontaktierung erfolgen.
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Üblicherweise ist die Membran umlaufend mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Membranebene verlaufenden Wandung fest verbunden, so dass die in der Membran quasi eingespannt ist. Auf diese Weise kann ein schwingfähiges System einfach hergestellt werden. Aufgrund dieser Einspannung der Membran entstehen unterschiedliche Krümmungsrichtungen und damit unterschiedlich Vorzeichnen der Krümmungen, so dass eine entsprechende Anpassung des Antriebs notwendig ist.
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Zur Anpassung thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoelement kann zwischen der Membran und dem Piezoelement ein Ausgleichselement bspw. eine Ausgleichskeramik, angeordnet sein. Durch eine solche, typischerweise scheibenförmig ausgebildete Ausgleichskeramik können thermische Ausdehnungen der Membran aufgenommen und aufgrund thermischen Spannungen hervorgerufene elektrische Spannungen damit weitgehend vermieden werden.
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Der Piezoantrieb ist vorteilhafterweise aus einem einzigen Piezoelement mit vorzugweise kreisförmiger Grundfläche gebildet, wobei der Piezoantrieb vorzugsweise mit der Membran oder dem Ausgleichselement verklebt ist. Durch eine Verklebung des Antriebs mit der Membran oder dem Ausgleichselement wird eine kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig guter mechanischer Kopplung ermöglicht.
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Eine weitere Optimierung kann erfolgen, wenn eine Grundfläche des Piezoelements im Wesentlichen der Fläche gleichgerichteter Krümmung der sich bei der vorgegebenen Eigenmode des mechanischen Schwingers ausbildenden Verformung der Membran entspricht. Zusätzlich oder alternativ zu einer Anpassung der Fläche der elektrischen Kontaktierung kann also auch eine Außenkontur des Piezoelements angepasst werden. Diese Ausgestaltungsform ermöglicht eine optimale Schwingungsdetektion und Anregung der Membran zu Schwingungen, wenngleich bei dieser Variante nicht auf üblicherweise verfügbare Piezoelement zurückgegriffen werden kann und Sonderanfertigungen mit einer angepassten Außenkontur notwendig sind.
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In eines Ausgestaltungvariante kann der mechanische Schwinger als Stimmgabel mit zwei mit gleichem Abstand zu einem Membranmittelpunkt und im Wesentlichen orthogonal zu der Membranebene angeordnete Paddel ausgebildet sein und die bevorzugte Mode einem Klatschmodus der beiden Paddel entsprechen. Stimmgabeln mit zwei gegenüberliegend angeordneten Paddeln weisen mehrere Resonanzfrequenzen und damit gekoppelte Eigenmoden auf. Die beiden wichtigsten Eigenmoden werden als Clap-Mode- oder Klatschmodus und als Sway-Mode oder Schwingmodus bezeichnet.
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Beim Klatschmodus bewegen sich die beiden Paddel der Stimmgabel aufeinander zu und wieder voneinander weg, wohingegen sie sich beim sogenannten Schwing-Modus parallel aneinander vorbei nach rechts und links bewegen. Da der Klatschmodus aus der Sicht eines Prozessanschlusses nahezu kräfte- und momentenfrei ist und der Schwingmodus im Vergleich dazu ein größeres Drehmoment auf den Prozessanschluss bringen würde, ist es das Ziel ausschließlich den Klatschmodus anzuregen und den Schwingmodus zu vermeiden. Durch eine Ausgestaltung des Antriebs entsprechend der vorliegenden Anmeldung kann dies erreicht werden.
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Der Antrieb muss hierzu so zu einem mechanischen Schwingern ausgerichtet und angeordnet sein, dass hauptsächlich der bevorzugte Modus angeregt wird.
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Bei einem Vibrationssensor mit einer entsprechend ausgebildeten Stimmgabel hat die erste Kontaktierung ein Verhältnis von Länge zu Breite vom zwischen 5 zu 4 und 6 zu 4. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der ersten Kontaktierung kann näherungsweise ein durch Simulation exakt ermittelbares Ergebnis erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Optimierung eines Piezoantriebs für einen Vibrationssensor mit einer über den Piezoantrieb mit wenigstens einem Piezoelement zu einer Schwingung anregbaren Membran und einem an der Membran angeordneten mechanischer Schwinger weist folgende Schritte auf:
- - Bestimmen einer bevorzugten Eigenmode des bevorzugten Schwingers,
- - Ermitteln einer Fläche von Punkten gleicher Krümmungsrichtung der Membran bei der bevorzugten Eigenmode,
- - Ausbilden einer Fläche einer elektrischen Kontaktierung des Piezoelements entsprechend der ermittelten Fläche.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren eingehende erläutern. Es zeigen:
- 1a eine perspektivische Darstellung einer Membran eines Vibrationssensors mit daran angeordnetem mechanischen Schwinger,
- 1b eine Draufsicht der Membran auf 1a,
- 2a Kennlinien einer Membranverformung, einer Steigung der entsprechenden Verformung so wie in einer Krümmung der Membran bei einem Schnitt durch die Membran der 1b entlang der Linie A,
- 2b die Kennlinien auf 2a bei einem Schnitt entlang der Linie B,
- 2c die Kennlinien aus 2a bei einem Schnitt entlang der Linie C,
- 3 eine schematische Darstellung eines sich hieraus ergebenden Aufbaus eines Piezoelements in Draufsicht,
- 4 die Oberseite eines Ausführungsbeispiels eines entsprechend 3 ausgebildeten Piezoelements und
- 5 die Unterseite des Piezoelements aus 4.
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1a zeigt eine perspektivische Darstellung einer mechanischen Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen durch eine Membran 5 gebildet, die mit einer umlaufenden Wandung 30 fest verbunden und in diese schwingfähig eingespannt ist. An der Membran 5 ist in der vorliegenden Darstellung unterseitig, was einer aus einem Medium zugewandten Seite der Membran 5 entspricht, ein mechanischer Schwinger 7 angeordnet, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine aus zwei gegenüberliegend und parallel zueinander ausgerichteten, orthogonal auf der Membran 5 stehenden Paddeln gebildet ist. In der vorliegenden Darstellung ist auf der Membran 5 eine Linie A eingezeichnet, die einer Verbindungslinie einer Basis der beiden Paddel entspricht.
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Die Linie A ist in der Draufsicht in 1b ebenfalls eingezeichnet und kennzeichnet eine Schnittlinie, die nachfolgend auch als Schnitt und einem Winkel vom 0° bezeichnet wird. In 1b sind ferner Linien B und C eingezeichnet die eine Schnitt unter einem Winkel von 45° (Linie B) sowie unter einem Winkel von 90° (Linie C) kennzeichnen.
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In den 2a bis c sind die Membranverformung D, eine sich hieraus ergebende Steigung S sowie eine sich daraus ebenfalls ergebende Krümmung K eingezeichnet. D die Kennlinien der 2a bis c wurden für eine Membran mit einem Durchmesser von 19 mm ermittelt.
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Da die Membran 5 randseitig mit der Wandung 30 verbunden und somit eingespannt ist, ist die Durchbiegung im Randbereich, d.h. bei einer Position unten von 0 mm und 19 mm jeweils 5 bzw. annähernd 0. Durch die Differentiation der mit D bezeichneten Membranverformung wird die Steigung S an jedem Punkt der verformten Membran 5 und durch nochmalige Differentiation die Krümmung K ermittelt. In Bezug auf die Krümmung K ist ferner mit Pfeilen gekennzeichnet, der jeweilige Schnittpunkt der Kennlinie K mit der X-Achse angegeben. Dieser Punkt kennzeichnet einen Vorzeichenwechsel der Krümmung K. Wie aus 2a bis 2c ersichtlich ist, liegt der Schnittpunkt der Krümmung K mit der X-Achse in 2a bei etwa 4 mm und 14 mm und in 2b bei etwa 2,5 mm und 16,5 mm und in 2c etwa bei 2 mm und 17 mm. Zwischen diesen beiden Punkten weist die Krümmung jeweils einen positiven Wert auf, während sie außerhalb dieser beiden Punkte negative Werte hat.
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Bei dem in den 1a) und 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden hauptsächlich auftretenden Eigenmoden des mechanischen Schwingers 7 nur 57 Hz voneinander entfernt, sodass durch eine entsprechende Ausgestaltung des Antriebs eine verbesserte und eindeutige Anregung der bevorzugten Mode erreicht wird.
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Diese Erkenntnis zugrundelegend, kann der in 3 schematisch dargestellte optimierte Aufbau eines Piezoelements 9 abgeleitet werden. Gezeigt ist in Draufsicht die Membran 5, die an der umlaufenden Wandung 30 eingespannt ist. Auf der Membran 5 ist ein Piezoelement 9 angeordnet, welches eine entsprechend den in den 2a bis 2c dargestellter Erkenntnisse optimierte erste elektrische Kontaktierung 11 aufweist. Eine zweite elektrische Kontaktierung 12 des Piezoelements 9 ist auf der Unterseite des Piezoelements 9 vollflächig aufgebracht, wie in 5 zu sehen ist. Eine dritte Kontaktierung 13 von Flächenabschnitten der Oberseite des Piezoelements 9, die über die Kontur der ersten elektrischen Kontaktierung 11 hinausgehen sind über eine Zwischenisolierung 16 von der ersten elektrischen Kontaktierung 11 elektrisch isoliert und über eine Umkontaktierung 19 mit der zweiten elektrischen Kontaktierung 12 der Unterseite des Piezoelements 9 verbunden.
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Ausgehend von dem in 3 dargestellten schematischen Aufbau eines Piezoelements 9 gemäß der vorliegenden Erfindung können in den 4 und 5 dargestellten konkreten Ausführungsbeispiele abgeleitet werden. Diese Ausführungsbeispiele sind insbesondere hinsichtlich der Fläche der elektrischen Kontaktierungen 11, 12, 13 sowie der notwendigen Isolierungen optimiert. Die erste elektrische Kontaktierung 11 ist in einem zentralen Bereich des Piezoelements 9 großflächig und von einer ersten Randisolierung 15 zum Rand des Piezoelement 9 umgeben angegeben. Zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung 11 und der dritten elektrischen Kontaktierung 13 ist eine Zwischenisolierung 16 vorgesehen, die die erste Kontaktierung 11 und die dritte elektrische Kontaktierung 13 voneinander elektrisch isoliert. Die dritte elektrische Kontaktierung 13 ist ihrerseits bis an den Rand des Piezoelementes 9 geführt und mittels einer Umkontaktierung 19 über den Rand des Piezoelements 9 zur zweiten elektrischen Kontaktierung 12 geführt.
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Die zweite elektrische Kontaktierung 12 ist im Wesentlichen in 5 gezeigt, wobei diese in Randbereichen, in denen auf der Oberseite des Piezoelements 9 keine dritte elektrische Kontaktierung 13 angeordnet ist, durch eine zweite Randisolierung 17 zum Rand des Piezoelements 9 beabstandet und isoliert ausgebildet ist. In dem Bereich, in dem auf der Oberseite die dritte elektrische Kontaktierung 13 angeordnet ist, ist auch die zweite elektrische Kontaktierung 12 bis an den Rand des Piezoelements 9 geführt und steht dort im der Umkontaktierung 19 in Verbindung, so dass die zweite elektrische Verbindung 12 und die dritte elektrische Kontaktierung 13 in Verbindung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Membran
- 7
- mechanischer Schwinger
- 11
- erste elektrische Kontaktierung
- 12
- zweite elektrische Kontaktierung
- 13
- dritte elektrische Kontaktierung
- 15
- erste Randisolation
- 16
- Zwischenisolation
- 17
- Zweite Randisolation
- 19
- Kontaktierung
- 30
- Wandung
- A
- Schnitt 0°
- B
- Schnitt 45°
- C
- Schnitt 90°
- M
- Membranebene
- D
- Verformung
- S
- Steigung
- K
- Krümmung
