DE19624443A1 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents
Elektroakustischer WandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit an
einem Träger befestigten Piezoelementen.
Bei solchen Wandlern bzw. piezoelektrischen Druckimpulsquellen
(DE-C-39 32 959) ist der metallische und somit elektrisch leitende
Träger üblicherweise mit mehreren tausend Piezoelementen be
stückt, die zur Erzeugung von Druckimpulsen oder Stoßwellen
jeweils gleichzeitig impulsweise mit hoher Spannung angesteuert
werden.
Zur gegenseitigen Isolation und auch zur Isolation gegenüber dem
meist als Masseelektrode dienenden Träger sind die Piezoelemen
te in einer Vergußmasse, wie etwa Epoxidharz, eingebettet, wo
durch im allgemeinen eine hohe Spannungs- und Überschlagfestig
keit gewährleistet ist. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, daß
die ursprünglich hohe Spannungsfestigkeit zeitlich begrenzt ist und
die Lebensdauer des Wandlers stark von der Spannung, die an die
Piezoelemente gelegt wird, und nicht zuletzt auch davon abhängt,
wie lange die Vergußmasse insbesondere am Umfang der meist als
Zylinderkörper ausgebildeten Piezoelemente haften bleibt.
Die Piezoelemente erfahren durch die angelegte Impulsspannung
schnelle und kurze Längenänderungen, wobei es vor allem im
mittleren Bereich der Elemente zu aufeinander folgenden Ein
schnürungen und Ausbeulungen kommt, wodurch die Haftung der
Vergußmasse auf dem jeweiligen Piezoelement zumindest stellen
weise aufgehoben werden kann. Sobald die Haftung im Bereich
eines Elementes nicht mehr vorhanden ist, kommt es zu Span
nungsüberschlägen zwischen den stirnseitigen, auf unterschiedli
chem Potential liegenden Enden des betroffenen Piezoelementes,
wodurch dieses Element und häufig auch benachbarte Elemente
zerstört werden, der Wandler an Leistung verliert oder meist
schon nicht weiter betrieben werden darf.
Man hat versucht, dieses Problem zu lösen, indem die Piezoele
mente mit einem flüssigen Isolator, also etwa mit hochspannungs
festem Öl, umgeben werden. Dies bringt den Vorteil, daß sich an
der Wand bzw. am Umfang der Piezoelemente keine Spannungs
überschläge begünstigende Luftstrecken ausbilden können.
Allerdings hat sich auch gezeigt, daß die Isolationsfestigkeit bei
derart isolierten Piezoelementen auf Dauer nicht erhöht werden
konnte. Weitere Probleme ergeben sich bei dieser Isolationstech
nik dadurch, daß die Stellen, wo die Piezoelemente mit dem
Träger elektrisch leitend durch ein Klebemittel verbunden sind,
von dem flüssigen Isolator unterwandert werden und sich dadurch
vom Träger ablösen. Außerdem können die Piezoelemente auf
grund des fehlenden mechanischen Haltes bei solchen Isolations
medien transversal auseinanderbrechen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine technisch einfache
und kostengünstige Lösung für die im Zusammenhang mit den
erwähnten Spannungsüberschlägen stehenden Probleme zu finden
und durch die Beseitigung dieser Probleme schließlich auch die
Möglichkeit zu schaffen, die Piezoelemente mit vergleichsweise
höherer Spannung als derzeit üblich und möglich betreiben zu
können, um so eine Leistungssteigerung des Wandlers zu erzielen.
Im übrigen soll es möglich werden, daß die Lebensdauer des
Wandlers die Lebensdauer der Piezoelemente (< 5 × 10⁶ Impulse)
erreicht.
Diese Aufgabe wird bei einem elektroakustischen Wandler mit
Piezoelementen so gelöst, daß die Piezoelemente auf ihrer Um
fangsfläche mit jeweils einem Mantel aus dauerelastischem Isolier
material abgedeckt sind.
Durch diese Maßnahme wird, wie praktische Versuche gezeigt
haben, eine dauerhafte Überschlagfestigkeit in Luft von über 20 kV
erreicht, also ein Wert, der weit über der bisher möglichen
Spannungsfestigkeit herkömmlicher Wandler liegt. Dies ist vor
allem darauf zurückzuführen, daß der elastische Mantel den Ver
formungen am Umfang der Piezoelemente folgen kann und an
diesen haften bleibt, so daß sich am Umfang der Piezoelemente
keine freien Luftstrecken bilden werden, die sonst Ursache für
Spannungsüberschläge sein könnten.
Weitere Steigerungen der Spannungsfestigkeit sind möglich, wenn
die Mäntel über das eine stirnseitige Ende der Piezoelemente
hinausragen, während die anderen stirnseitigen Enden der Piezo
elemente elektrisch leitend mit dem eine gemeinsame Elektrode
bildenden Träger verbunden sind. Im übrigen ist es auch je nach
Wandlertyp vorteilhaft, wenn die ummantelten Piezoelemente
zusätzlich mit einer auch die Räume zwischen den Piezoelementen
ausfüllenden Vergußmasse aus Isoliermaterial durchgehend be
schichtet sind.
Die Mäntel können aus einem auf das jeweilige Piezoelement
geschobenen Schlauch bzw. Schlauchabschnitt bestehen und bei
Verwendung von Schrumpfschläuchen auf das Piezoelement aufge
schrumpft sein, wobei die Haftung zwischen dem Mantel und dem
Piezoelement erforderlichenfalls auch noch durch Anwendung
eines Klebers zwischen dessen Umfangsfläche und dem Innen
umfang des Mantels bzw. Schlauchabschnittes erhöht werden kann.
Die Piezoelemente können jeweils mit ihrem einen stirnseitigen
Ende leitend mit einem ersten Träger aus Metall verbunden und
über jeweils ein Kontaktelement an den anderen stirnseitigen
Enden leitend gegen einen zweiten Träger aus Metall verspannt
sein, wobei die Träger, zwischen denen die Piezoelemente mit
zugehörigen Kontaktelementen eingespannt sind, gemeinsame
Elektroden bilden können. Zweckmäßigerweise sind dabei die
Kontaktelemente jeweils von einem über die genannten anderen
stirnseitigen Enden der Piezoelemente vorstehenden Teil der
Mäntel umhüllt.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform für einen Wandler
ergibt sich, wenn jedes ummantelte Piezoelement in einem Gehäu
se untergebracht ist, das mit einem Träger verschraubt ist, wobei
ein stirnseitiges Ende der Piezoelemente mit dem Träger elek
trischen Kontakt hat, während das andere stirnseitige Ende über
eine gelochte Scheibe aus Isoliermaterial im metallischen Gehäuse
abgestützt und mit einem Draht bzw. Kabel verbunden ist, der
bzw. das durch die Scheibe und weiter isoliert durch einen Kanal
im Gehäuse nach außen geführt ist.
Die Erfindung wird nun weiter anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt jeweils
im Schnitt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten elektroakusti
schen Wandler,
Fig. 2 und 3 außen am Umfang mit unterschiedlich ausgebildeten
Mänteln abgedeckte Piezoelemente,
Fig. 4 ein gemäß den Fig. 1 und 3 ummanteltes Piezo
element mit an einem stirnseitigen Ende angelöteten
Draht und
Fig. 5 und 6 Teilbereiche zweier weiterer Ausführungsbeispiele für
einen Wandler nach der Erfindung.
Der Wandler gemäß Fig. 1 ist im wesentlichen von üblicher Bau
art und hat einen Träger 1 in Form einer beispielsweise aus einer
Aluminiumlegierung hergestellten Schale, auf der piezoelektrische
Keramikelemente 2 mit einem stirnseitigen Ende stehend angeord
net sind und mit dem Träger 1 mit einem Klebemittel elektrisch
leitend verbunden sind. Der Träger bildet somit eine gemeinsame,
meist auf Masse zu legende Elektrode für alle Piezoelemente. An
den anderen Stirnseiten der Piezoelemente 2 sind in üblicher
weise Drähte 3 so angeschlossen, daß diese Stirnseiten durch
Verbindung aller Drähte ebenfalls gemeinsam auf gleichem Poten
tial liegen, wenn sie etwa an den Pluspol eines elektrischen Im
pulsgenerators angeschlossen werden, während der Träger 1 mit
dem Massepol des Impulsgenerators verbunden ist.
Alle hier beispielsweise als Zylinderkörper ausgebildeten Piezoele
mente 2 sind, wie noch später näher erläutert wird, außen auf
ihrer Umfangsfläche jeweils mit einem Mantel 4 aus hochelasti
schem Isoliermaterial abgedeckt. Im übrigen sind bei dieser Aus
führungsform die ummantelten Piezoelemente mit einer auch die
Räume zwischen ihnen ausfüllenden Vergußmasse 5 der Darstel
lung entsprechend beschichtet.
Der Raum 6 dient zur Aufnahme eines flüssigen Koppelmediums,
über das die Schallimpulse beispielsweise auf den Körper eines
Patienten übertragen werden. Im übrigen kann die Vergußmasse
auf der dem Raum 6 zugekehrten Seite noch mit einer Metallfolie
abgedeckt sein, falls ein direkter Kontakt der Vergußmasse mit
dem Koppelmedium vermieden werden soll. Diese Bauweise und
auch die Betriebsweise sowie Funktion solcher Wandler sind
bekannt und brauchen deshalb nicht weiter beschrieben zu wer
den.
Wie es die Fig. 2 zeigt, kann der Mantel 4 an den beiden stirnsei
tigen Enden 2a, 2b des Piezoelementes 2 bündig mit diesem ab
schließen. Im Gegensatz hierzu ragt bei den in den Fig. 3 und
4 gezeigten Ausführungen der Mantel bzw. Schlauchabschnitt 4
über das eine stirnseitige Ende 2a des Piezoelementes hinaus, so
daß der Bereich, an dem der isolierte Anschlußdraht 3 mit dem
Ende 2a Kontakt hat, vom überstehenden Teil des Mantels 4
umhüllt ist, wodurch sich eine Verlängerung der Strecke zwischen
dem Ende 2a und dem Träger 1 als weitere Sicherung gegen
Spannungsüberschläge ergibt.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Piezoele
mente 2 jeweils mit ihrem einen stirnseitigen Ende 2b leitend mit
einem ersten Träger 7 aus Metall verbunden und liegen jeweils
über ein Kontaktelement 8 von unten gegen einen zweiten Träger
9 aus Metall an. Die Piezoelemente mit zugehörigem Kontakt
element sind zwischen dem ersten und zweiten Träger einge
spannt, die gemeinsame und auf unterschiedliches Potential zu
legende Elektroden bilden. Die Kontaktelemente 8 sind jeweils
von einem über das andere stirnseitige Ende 2a der Piezoelemen
te 2 vorstehenden Teil 4a der Mäntel 4 umhüllt, und zwar aus
schon vorerwähnten Gründen zwecks Erhöhung der Spannungs
festigkeit.
Durch einen ausreichenden Abstand der Träger 7 und 9 ist be
dingt durch die Höhe der Kontaktelemente 8 das Vergießen der
ummantelten Piezoelemente bei dem in Fig. 5 gezeigten Wandler
nicht erforderlich. Durch das Einspannen der Piezoelemente
zwischen den Trägern werden diese mechanisch vorgespannt, um
in an sich bekannter Weise ihren Wirkungsgrad und damit den
Wirkungsgrad des Wandlers insgesamt zu erhöhen. Außerdem läßt
diese Bauweise einen relativ leichten Austausch von etwaigen
defekten Piezoelementen zu, wenn beispielsweise der obere Träger
9 vom übrigen Wandlerteil gelöst und abgehoben werden kann, so
daß die auf dem unteren Träger 7 verbleibenden Piezoelemente 2
und Kontaktelemente 8 frei zugänglich werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist jedes mit einem
Mantel 4 umgebene Piezoelement 2 in einem Gehäuse 10 unter
gebracht, das von unten mit dem Träger 1 verschraubt ist, wobei
ein stirnseitiges Ende 2b des Piezoelementes 2 mit dem Träger 1
elektrischen Kontakt hat, während das andere Ende 2a des Piezo
elementes über eine mittig gelochte Scheibe 11 aus Isoliermaterial
auf einer Schulter im metallischen Gehäuse abgestützt und mit
einem isolierten Draht 3 verbunden ist, der durch das Loch der
Scheibe 11 und weiter isoliert durch einen Kanal 10a im Gehäuse
10 nach außen geführt ist.
Der Kanal 10a ist mit den Draht 3 umgebendem und stützendem
Isoliermaterial 12 gefüllt. Die Scheibe 11 sollte relativ hart sein
und z. B. aus Hartpapier bestehen, da über sie relativ hohe
Spannkräfte vom Gehäuse 10 auf das Piezoelement 2 und weiter
auf den Träger 1 übertragen werden müssen. Außerdem sollte der
gemäß der Darstellung nach unten über das Piezoelement 2 hin
ausragende Teil des Mantels 4 die Scheibe 11 aus Gründen einer
hohen Spannungsfestigkeit übergreifen.
Im übrigen ist es auch bei dieser Ausführungsform möglich, das
Piezoelement 2 zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades mecha
nisch in Längsrichtung ein- und vorzuspannen, und zwar durch
mehr oder weniger weites Einschrauben des Gewindeteiles 10b in
die zugehörige Gewindebohrung unten am Träger 1. In der Fig. 6
ist zwar nur ein Piezoelement gezeigt, die Ausstattung des Wand
lers mit einer Vielzahl von Piezoelementen gemäß Fig. 1 ist aber
auch möglich.
Claims (8)
1. Elektroakustischer Wandler mit an einem Träger (1) befe
stigten Piezoelementen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die
Piezoelemente (2) auf ihrer Umfangsfläche mit jeweils einem
Mantel (4) aus dauerelastischem Isoliermaterial abgedeckt sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mantel (4) aus einem auf das jeweilige Piezoelement (2) gescho
benen Schlauch besteht.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schlauch (4) auf das jeweilige Piezoelement (2) geschrumpft ist.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Mantel bzw. Schlauch (4) durch Kleben mit
dem jeweiligen Piezoelement (2) verbunden ist.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mäntel bzw. Schläuche (4) über das eine
stirnseitige Ende (2a) der Piezoelemente (2) hinausragen und daß
die Piezoelemente (2) an ihrem anderen stirnseitigen Ende (2b)
elektrisch leitend mit dem eine gemeinsame Elektrode der Piezo
elemente bildenden Träger (1) verbunden sind.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ummantelten Piezoelemente (2) mit einer
auch die Räume zwischen den Piezoelementen ausfüllenden Ver
gußmasse (5) aus Isoliermaterial durchgehend beschichtet sind.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Piezoelemente (2) jeweils mit ihrem einen
stirnseitigen Ende (2b) leitend mit einem ersten Träger (7) ver
bunden und über ein Kontaktelement (8) an den anderen stirnsei
tigen Enden (2a) an einem zweiten Träger (9) anliegen, daß die
Kontaktelemente (8) jeweils von einem über die genannten ande
ren stirnseitigen Enden (2a) der Piezoelemente (2) vorstehenden
Teil des Mantels (4) umhüllt sind und daß die die Piezo- und
Kontaktelemente zwischen sich einspannenden Träger (7, 9) ge
meinsame Elektroden der Piezoelemente bilden.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedes ummantelte Piezoelement (2) in einem
Gehäuse (10) untergebracht ist, das mit dem Träger (1) ver
schraubt ist, wobei ein stirnseitiges Ende (2b) des Piezoelementes
(2) mit dem Träger (1) elektrischen Kontakt hat, während das
andere stirnseitige Ende (2a) des Piezoelementes (2) über eine
gelochte Scheibe (11) aus Isoliermaterial im metallischen Gehäuse
(10) abgestützt und mit einem Kabel (3) verbunden ist, das durch
die Scheibe (11) und weiter isoliert durch einen Kanal (10a) im
Gehäuse (10) nach außen geführt ist.
Priority Applications (1)
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DE1996124443 DE19624443C2 (de) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | Elektroakustischer Wandler |
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