DE1953719B2 - Ultraschallwandler mit piezoelektrischem element - Google Patents

Description

zufuhr dienenden Drähten gehalten ist, die mit den den Elektroden verbunden sein, wobei Endabschnitte

Elektroden des piezoelektrischen Elements ver- der Drähte, die Lötverbindungen und ⁰^ die loi-

bunden und in den Stützmitteln gelagert sind. verbindungen unmittelbar umgebenden Abscnnme

Bei dieser Ausbildung des Wandlers wird das der Elektroden mit einer Kunststoffzement- bzw.

piezoelektrische Element frei im Raum ohne Vor- 5 Kunststoffklebeschicht überzogen sind, so daß axe

spannung unterstützt Die Schwingungen werden von Lötverbindungen verstärkt sind und Schwingungen

den Halterungen nicht beeinflußt, so daß keine Stör- der Drähte beim Schwingen des piezoelektrischen

resonanzen oder unerwünschte Oberschwingungen Elements wirksam verhindert werden,

auftreten können. Kontaktflächen zur Stromüber- Im folgenden wird die Erfindung an Hand scnema-

tragung, die durch die Schwingung'η beeinflußt wer- i° tischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel

den könnten, sind nicht mehr vorhanden; es besteht näher erläutert. Es zeigt

vielmehr eine ständige elektrische und mechanische Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einAus-

Verbindung der Unterstützungsmittel mit dem piezo- führungsbeispiel eines zusammengebauten und von

elektrischen Element, so daß eine Abnutzung an einem Gehäuse umschlossenen erfindungsgemaßen

diesen Teilen nicht auftreten kann. Die Eigenschaften 15 Ultraschallwandlers,

des Wandlers bleiben daher auch über lange Zeit- Fig. 2 eine Ansicht des Ultraschallwandlers von räume konstant. Der mechanische und elektrische unten, .
Aufbau des Wandlers nach der Erfindung ist sehr Fig. 3 in einem vergrößerten Maßstab einen1 senkeinfach, so daß er in großen Stückzahlen mit rechten Schnitt entlang dt,- Unie 3-3 in Fi g. 1,
niedrigen Kosten hergestellt werden kann. 20 F i g. 4 eine Draufsicht, wobei Teile eines ^Sch"^tz-

Das piezoelektrische Element kann in einer be- gitters weggebrochen sind, um den inneren Aufbau

sonders vorteilhaften Ausführungsform einen ge- zu zeigen;

schichteten Aufbau aufweisen mit einem Paar F i g 5 und 6 zeigen horizontale Schnitte entlang nebeneinander angeordneter flacher piezoelektrischer den Linien 5-5 bzw. 6-6 in Fig. 3;
Schichten, wobei zwei der Elektroden mit den 25 F i g. 7 zeigt eine vergrößerte perspektivische Dar-Außenseiten der piezoelektrischen Schichten ver- stellung des piezoelektrischen Elements, die Einzelbunden sind und eine dritte der Elektroden zwischen heiten an der Unterseite desselben zeigt,
einander gegenüberliegenden inneien Seiten der Fig. 8 eine pespektivische Darstellung einer in piezoelektrischen Schichten angeordnet u.id mit der Wandlerbaugruppe verwendeten schwingfaniger. d'esen Seiten verbunden ist. Vorzugsweise besitzt 30 Scheibe, .
bei einem solchen Aufbau eine der piezoelektrischen Fi g. 9 einen Teilschnitt entlang der Linie 9-9 der Schichten an einer Kante eine Ausnehmung um F i g. 6 in vergrößertem Maßstab und
einen Randabschnitt der dritten Elektrode Ki zu Fig. 10 einen Teilschnitt entlang der LinieU)-U) lassen, wobei ein Ende eines der Drähte an dem der Fig. 5, ebenfalls in vergrößertem Maßstab,
freiliegenden Randabschnitt der dritten Elektrode 35 In den Fig. 1 bis 6 ist ein von einem zylindrischen befestigt ist. Hierdurch wird eine einfache und zu- Gehäuse 12 umschlossener Ultraschallwandler 10 geverlässige Verbindung mit der dritten Elektrode ge- zeigt, wobei das Gehäuse 12 eine offene Vorderschaffen, bzw. Oberseite aufweist, die von einem fest an einem

Bei dem Ultraschallwandler der eingangs ge- ringförmigen Rand 14 einer öffnung 16 befestigten

nannten Art ist an der von dem steifen Basisteil ab- 40 runden Schutzgitter 15 bedeckt ist. Das Schutzgitter

gewandten Seite d*»s piezoelektrischen Elements in 15 läßt Druckwellen frei in das Gehäuse ein und aus

festem Abstand von diesem eine schwingfähige dem Gehäuse austreten, je nachdem, ob der Wandler

Scheibe angebracht. Diese kann auch bei einem als ein Druckwellengeber bzw. Wellenerzeuger oder

Ultraschallwandler nach der Erfindung vorgesehen Wellenstrahler oder als ein Druckwellenempfanger

werden, wobei vorteilhaft die Stützmittel des piezo- 45 bzw. Mikiophon verwendet wird. Das offene hintere

elektrischen Elements als Tragbolzen ausgebildet bzw. untere Ende des Gehäuses kann nach innen

sind, an deren freien Enden ein Ring befestigt ist, umgebogen sein, um einen Umfangflansch 18 zu

der an nach innen gerichteten Armen die schwing- bilden, der an einer runden Basis- bzw. Grundplatte

fähige Scheibe aufnimmt. 22 eines isolierenden Käfigs 25 angreift, um diesen

Die Basisplatte, die Tragbolzen, de- Ring, die 50 in dem Gehäuse 12 festzuhalten.

Arme und die Scheibe bestehen vorzugsweise aus Die Grundplatte 22 ist becherförmig ausgebildet

isolierendem Material und bilden einen Käfig, der mit einem ringförmigen Flansch 26, der im Reibungs-

das piezoelektrische Element umschließt und mecha- eingriff mit der Innenseite des Gehäuses 12 steht,

nisch schützt. Vier zylindrische Tragbolzen 27 sind, um 90° gegen-

Der Ultraschallwaiidle-- umfaßt vorzugsweise auch 55 einander versetzt, einstückig mit der Grundplatte 2Z ein den Käfig umschließendes, elektrisch abschirmen- ausgebildet. Zylindrische Zapfen 28 mit verminderdes zylindrisches Gehäuse mit sich gegenüberliegen- tem Durchmesser sind an den oberen fcnaen aer den offenen Enden, wobei eines der offenen Enden Tragbolzen einstückig mit diesen ausgebildet, irerner des Gehäuses mit einem Druckwellen hindurch- umfaßt der Käfig 25 eine schwingfahige Scheibe 29, lassenden Gitter versehen ist, das benachbart dem 60 die von vier jeweils um 90 gegeneinander verRing angeordnet ist, und im Abstand voneinander setzten und einstückig mit einem außer en Ring JU angeordnete, an der Basisplatte befestigte elektrische ausgebildeten radialen Armen 31, 32, 33 und 34 geAnschlüsse, die an dem anderen offenen Ende des tragen wird1(Fi g. 8) Der Ring 3 I »t dgt ^ter Gehäuses zum Verbinden mit eir-m äußeren Schalt- dem Rand 14 der Öffnung 16 mit einem Paßsitz in kreis freiliegend angeordnet sind, wobei das andere 65 das Gehäuse 12 eingefugt, wobei der Randdes Ende der der Stromzufuhr dienenden Drähte mit Gitters 15 zwischen dem Ring 30 unu dem Rand 14 diesen elektrischen Anschlüssen verbunden ist. eingelegt ist.

Die Drähte können mittels Lötverbindungen mit Die radialen Arme 31 und 34 haben innere Ab-

schnitte 35 mit verringerter Breite und Dicke, wobei nachbarten Rändern sowohl des leitenden Überzugs in zwei sich diametral gegenüber liegenden Armen bzw. der Elektrode 60 wie der Platte 54 ist eine 31 und 33 Aussparungen 36 benachbart der Scheibe Ausnehmung gebildet, so daß der Draht, wie am 29 ausgebildet sind. Äußere Abschnitte 38 der Arme besten aus F i g. 9 zu ersehen, mit Lötmitteln 77 und sind dicker als die inneren Abschnitte und haben 5 isolierendem Klebstoff 78 befestigt werden kann. Die eine Dicke gleich der des Ringes 30. In <Ίεη Unter- äußeren Abschnitte der Drähte erstrecken sich durch Seiten der Arme 31 bis 34 sind Sacklöcher 40 vor- Löcher 80, die einander gegenüberliegend in den gesehen, welche die oberen freien Enden der Zapfen Zapfen 28 ausgebildet sind. Die Drähte üben keinen 28 aufnehmen. Die Zapfen 28 sind mit einem ge- Zug auf das Element 50 aus. Das Element wird von eigneten Klebstoff 42 befestigt, wodurch der Käfig 25 io ihnen nur getragen. Die Drähte sind im Reibungsentstellt und eine zusammenhängende, einheitliche, eingriff in den Löchern 80. Von den Löchern 80 ersteife Rahmenkonstruktion bildet. strecken die Drähte sich nach unten zu Nuten bzw. Innerhalb des Käfigs 25 ist ein rechteckiges piezo- Kerben 82, die in den Tragbolzen 27 ausgebildet elektrisches Element 50 angeordnet. Das Element 50 sind. Die unteren Enden der Drähte 61 bis 63 enden ist eine aus Schichten zusammengesetzte Kon- 15 an in Umfangsrichtung verteilten Anschlußösen 84, struktion, die zwei dünne keramische Flatten 52 und die an den oberen bzw. inneren Enden dreier Kon-54 umfaßt, die mit je einer Seite einer dünnen, taktstifte 86 a, 86 b, 86 c an der Grundplatte 22 anelektrisch leitenden Metallschicht oder Metallplatte geordnet sind. Die Kontaktstifte 86 a, 86 b, 86 c sind 56 verbunden sind. Die äußeren freiliegenden Seiten in der Grundplatte 22 befestigt und erstrecken sich der Platten 52 und 54 sind mit dünnen leitenden 20 von derselben axial nach unten zur Verbindung mit Schichten 58 bzw. 60 aus Silber oder einem anderen einem äußeren elektrischen Schaltkreis. Die Drähte elektrisch leitenden Material überzogen. Die Schich- 61 bis 64 sind mittels Klebstoffs 88 an den Zapfen ten 58 und 60 dienen als Elektroden für die aus 28 befestigt. Weiter sind die Drähte 61 bis 64 durch Schichten zusammengesetzte Konstruktion. Klebst ;ff 90 an den Tragbolzen 27 befestigt. An den Das Element 50 ist so ausgerichtet, daß sein 25 Anschlußösen 84 sind die Drähte 61, 62 und 64 mit Mittelpunkt genau auf der Mittelachse des zylin- Hilfe von Lötmittel 92 befestigt,
drischen Käfigs 25 und des Gehäuses 12 liegt. Das Die die Scheibe 29 tragenden Arme 31 und 34 piezoelektrische Element schwingt normalerweise in sind über in F i g. 6 durch gerade, gestrichelte Biegeschwingungen. Es hat einen aktiven Mittel- Linien N angedeuteten Schwingungsknotenbereichen bereich A, der in Fig. 6 mittels gestrichelter Bogen- 30 des Elements 50 außerhalb des Bereichs A gelegen, linien angedeutet ist. Die Scheibe 29, die dicker ist In ähnlicher Weise sind die mit Klebstoff überals die Arme 31 bis 34 und der Ring 30, hat eine zogenen Lötverbindungsstellen und die inneren innere bzw. untere Fläche 29', die in einem genauen Endtn der Drähte in Wellenknotenbereichen des Abstand von dem benachbarten zentralen Abschnitt Elements 50 gelegen. Die Arme 31 bis 34 und die des Elements 50 so angeordnet ist, daß sie die von 35 Befestigungsstellen der Drähte sind an äußeren dem schwingenden Element ausgesandten Druck- Enden sich schneidender Mittelachsen des Elements wellen vergrößert bzw. zu einer maximalen Größe 50 gelegen.

bringt, wenn dieses schwingende Element als ein Aus der beschriebenen Anordnung geht hervor. Wellenerzeuger bzw. Strahler verwendet wird, und daß das Element 50 frei im Raum im Inneren des daß ein maximaler Antrieb des piezoelektrischen 40 Käfigs 25 aufgehängt ist und durch druckfreie bzw. Elements erreicht wird, wenn es mit Ultraschall- spannungsfreie, in Schwingungsknotenbereichen des druckwellen beschallt wird. Das Element 50 ist in Elements gelegene Verbindungsdrähtc getragen wird, einem genauen Abstand von der Grundplatte 22 an- Die Drähte 61 bis 64 haben eine genügende Steifgeordnet, der so bemessen ist, daß diese Grundplatte heit, um das Element 50 genau in seiner Lage zu 22 als ein wirksamer Reflektor dient, um Druck- 45 halten, und haben genügend Elastiztät, um die wellen, die von dem piezoelektrischen Element ab- Schwingungen des Elements so wenig wie möglich gegeben werden, auf dieses zurückzuwerfen, wo- zu behindern. Die Behinderung bzw. die Dämpfungsdurch die mechanischen Schwingungen des Elements wirkung ist minimal und vernachlässigbar, da die 50 verstärkt werden. Verbindungspunkte genau an Schwingungsknoten-Vier steife Drähte 61,62,63 und 64 halten das 50 punkten bzw. deren Bereichen des Elements ange-Element 50 in seiner kritischen Stellung. Innere cranet sind.

Enden der Drähte 61 und 63 sind in der Mitte ent- Dadurch, daß der isolierende Käfig 25 innerhalb

gegengesetzter Ränder 71,73 der oberen Elektrode des Gehäuses 12 vorgesehen ist, werden die leitenden

58 angeordnet und mit Hilfe von Lötmittel 66 be- Drähte 61 bis 64 und die Kontaktstifte 86 a, 86 b,

festigt Ein isolierender Klebstoff 68, wie etwa 55 ^Sfic wirksam gegen das Metallgehäuse 12 und das

Epoxy-Harz. ist über die ganze Lötverbindung auf- vordere Gitter 15 isoliert. Hierdurch wird die Gefahr

gebracht und erstreckt sich etwas entlang dem Draht, eines elektrischen Schlages in dem Wechselstrom-

wie deutlich in den Fig. 5 und 10 gezeigt ist. Dies gerät verhindert. Der Ring30, die Arme 31 bis 34

dient zur Verstärkung der Verbindung, verhindert und die Scheibe 29 dienen ebenfalls als Schutz für

ein Abschälen des Lötmaterials 66 und schränkt die 60 das Element 50, indem sie Anschläge für das Gitter

Schwingung des Drahtes ein. Das innere Ende des 15 bilden, um zu verhindern, daß dieses in das Drahtes 62 ist, wie in den F i g. 6 und 7 gezeigt, an Gehäuse 12 gestoßen wird.

der Mitte des Randes 72 der unteren Elektrode 60 Wenn der Wandler als eine Baugruppe mit zwei

aneebracht und don durch Lötmaterial in derselben Anschlüssen verwendet werden soll, werden die An-

Weise, wie in Fig. 10 gezeigt, befestigt, wobei die 65 Schlüsse nach außen über die Kontaktstifte 86α und Lötstelle durch Klebstoff 68' verstärkt ist. Das innere 86 b vorgenommen, die in Verbindung mit den Ende des Drahtes 64 ist in der Mitte des Randes 75 leitenden Überzügen bzw. Elektroden 58 und 60

der mittleren Metallplatte 56 befestigt In den be- stehen, \ind an den Kontaktstift 86 c wird keine

äußere Verbindung gelegt. Wenn der Wandler in einem Oszillator- oder Filterschaltkreis verwendet werden soll, bei dem elektrische Verbindungen zu den leitenden Überzügen bzw. Elektroden 58 und 60 und. der mittleren Platte bzw. Elektrode 56 notwendig sind, werden äußere Verbindungen an alle drei Kontaktstifte 86 a, 86 b und 86 c gelegt.

Bei Betrieb des Wandlers als Ultraschallgeber werden Wechselspannungen richtiger Polarität und Frequenz den leitenden Überzügen bzw. Elektroden und der mittleren Platte zugeführt, und das Element 50 schwingt in Biegeschwingungen, wobei es sich abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen verbiegt, um Druckwellen auszusenden, die ein scharf ausgeprägtes Maximum bei einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz besitzen. Bei Betrieb des Wandlers als Ultraschallempfänger bzw. Mikrophon werden dem Element 50 von der Grundplatte 22 Druckwellen mit Ultiaschallfrequenz zugeführt. Das Element 50 wird als Folge hiervon sich wechselweise in entgegengesetzte Richtungen biegen, so daß es Wechselspannungen erzeugt, deren Maximum bei dei Frequenz der auf das Element einwirkenden Druckwellen liegt.

Der hier beschriebene Wandler ist besonders füi Einbruchsalarmsysteme geeignet. Er ist jedoch allgemein verwendbar und kann in jedem System verwendet werden, das einen Ultraschallwandler mii hohem Q-Wert, d. h. hohem Gütefaktor bei geringe! Bandbreite, benötigt.

Das piezoelektrische Element kann mit relath hoher Energie betrieben werden, die nur durch dit Temperatur des Curie-Punktes des keramischer Materials oder durch den Schmelzpunkt des Lot materials der Verbindungen der Drähte mit dei Elektroden begrenzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209553/'

Claims (6)

liegend angeordnet sind, wobei das andere Ende Patentansprüche: von gawissen Drähten (61,62,64) mit diesen elektrischen Anschlüssen (86 a, 86 b, 86 c) ver-

1. Ultraschallwandler mit einem piezoelek- bunden ist, vorgesehen sind.

irischen Element, dessen Seiten mit dünnen, 5 7. Ultraschallwandler nach einem der Anflachen Elektroden versehen sind und das an sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seinen Schwingungsknoten im Bereich seiner Drähte (61 bis 64) mit den Elektroden (56,58, Ränder stromleitend unterstützt ist, so daß sein 60) mittels Lötverbindungen verbunden sind und Mittelteil frei schwingen kann, mit einem steifen daß die Endabschnitte der Drähte (61 bis 64), Basisteil mit Stützmittelr», von denen das piezo- ίο die Lötverbindungen und die die Lötverbindunelektrische Element in einem vorbestimmten, gen unmittelbar umgebenden Abschnitte der festen Abstand von dem Basisteil frei im Raum EIeL'roden (56,58, 60) mit einer Kunststoffunterstützt ist, dadurchgekennzeichnet, zement- bzw. Kunststoffklebeschicht überzogen daß das piezoelektrische Element (50) von steifen, sind, so daß die Lötverbindungen verstärkt sind auch der Stromzufuhr dienenden Drähten (61 bis 15 und Schwingungen der Drähte (61 bis 64) beim 64) gehalten ist, die mit den Elektroden (58, 60, Schwingen des piezoelektrischen Elements (50) 56) des piezoelektrischen Elements verbunden wirksam verhindert werden,
und in den i>t itzmitteln gelagert sind.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische 20

Element (50) einen geschichteten Aufbau aufweist mit einem Paar nebeneinander angeordneter

flacher piezoelektrischer Schichten (52, 54), wobei zwei der Elektroden (58, 60) mit den Außen- Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler

Seiten der piezoelektrischen Schichten (52,54) 35 mit einem piezoelektrischen Element, dessen Seiten

verbunden sind und eine dritte der Elektroden mit dür.nen, flachen Elektroden versehen sind und

(56) zwischen einander gegenüberliegenden das an seinen Schwingungsknoten im Bereich seiner

inneren Seiten der piezoelektrischen Schichten Ränder stromleitend unterstützt ist, so daß sein

(52, 54) angeordnet und mit diesen Seiten ver- Mittelteil frei schwingen kann, mit einem steifen

bunden ist. 30 Basistcii mit Stützmitteln, von denen das piezo-

3. Ultraschallwandler r.ach Anspruch 2, da- elektrische Element in einem vorbestimmten, festen durch gekennzeichnet, daß eine der piezoelek- Abstand von dem Basisteil frei im Raum untertrischen Schichten (54) an einer Kante (75) eine stützt ist.

Ausnehmung (76) aufweist, um einen Rand- Bei einem bekannten Wandler dieser Art (USA.-

abschnitt der dritten Elektrode (56) frei zu lassen, 35 Palentschrift 3 109 111) wird das piezoelektrische und daß ein Ende eines der Drähte (64) an dem Element mit Hilfe von metallischen Vorsprüngen Randabschnitt der dritten Elektrode (56) be- unterstützt, die durch Federdruck in Kontakt mit festigt ist. den leitenden Oberflächen des Elements gehalten

4. Ultraschallwandler nach einem der An werden. Die Kontaktvorsprünge greifen dabei in vier sprüche 1 bis 3, bei dem an der von dem steifen 40 an den Rändern des piezoelektrischen Elements vor-Basisteil abgewandten Seite des piezoelektrischen gesehene Aussparungen ein. Bei diesem bekannten Elements in festem Abstand von diesem eine Wandler können, wenn er als Ultraschallgeber bzw. schwingfähige Scheibe angebracht ist, dadurch Strahler mit durchgehend hoher Leistung betrieben gekennzeichnet, daß die Stützmittel des piezo- wird, durch die elastischen metallischen Unterelektrischen Elements (50) als Tragbolzen (27) 45 Stützungen und Kontaktvorsprünge Störresonanzen, ausgebildet sind, an deren freien Enden ein Ring Klirren und unerwünschte Oberschwingungen er-(30) befestigt ist, der an nach innen gerichteten zeugt werden. Die Stellung der Vorsprünge in den Armen (31 bis 34) die schwingfähige Scheibe Aussparungen kann sich verschieben und die (29) aufnimmt. Resonanzfrequenz verändern. Zwischen den scharfen,

5. Ultraschallwandler nach einem der An- 50 stark belasteten Kontaktflächen der Vorsprünge und sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den weichen Silberelektrodenüberzügen des Elements Basisplatte (22), die Tragboben (27), der Ring tritt eine starke Abnutzung auf, so daß nach einigei (30), die Arme (31 bis 34) und die Scheibe (29) Zeit die elektrischen Kontakte zeitweise unteraus isolierendem Material bestehen und einen brachen oder ganz geöffnet sind. Weiter können Käfig (25) bilden, der das piezoelektrische 55 Änderungen im Einspanndruck und in der Einspann· Element (50) umschließt und mechanisch schützt. stellung infolge von Alterung oder mechanischer

6. Ultraschallwandler nach einem der An- Stoßen auftreten. Durch die Unterstützungen und die sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktvorsprünge zur Halterung müssen beträchtden Käfig (25) umschließendes, elektrisch ab- liehe Vorspannkräfte auf das Element aufgebrachi schirmendes zylindrisches Gehäuse (12) mit sich 60 werden, um einen zuverlässigen Einspanndruck zi gegenüberliegenden offenen Enden, wobei eines erreichen. Hierdurch wird in dem Element ein Über· der offenen Enden des Gehäuses (12) mit einem maß an Vorspannung bewirkt, das die Betriebs-Druckwellen hindurchlassenden Gitter (15) ver- eigenschaften und Kennwerte des Elements veränder sehen ist, das benachbart dem Ring (30) ange- und nachteilig beeinflußt.

ordnet ist, und an der Basisplatte (22) befestigte 65 Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mängel de:

elektrische Anschlüsse (86 a, 86 b, 86 c), die an bekannten Wandlers zu vermeiden. Dies wird nacl

dem anderen offenen Ende des Gehäuses zum der Erfindung dadurch erreicht, daß das piezo

Verbinden mit einem äußeren Schaltkreis frei elektrische Element von steifen, auch der SiLrom