DE2435910C2

DE2435910C2 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE2435910C2
Application number: DE19742435910
Authority: DE
Inventors: Lyle Edward Indianapolis Ind. Shoot; Louis Pierre Sweany
Original assignee: PR Mallory & Co Inc Indianapolis Ind; PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Yosemite Investment Inc Indianapolis Ind Us
Priority date: 1973-07-26
Filing date: 1974-07-25
Publication date: 1985-01-24
Also published as: CA1006969A; FR2239071B3; BR7405611D0; JPS5044789A; JPS5829680B2; IT1016669B; FR2239071A1; DE2435910A1; GB1428589A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1.

Ein typischer Anwendungsfall für einen piezoelektrischen Wandler ist die Umformung elektrischer Energie in Schallenergie, wie dies beispielsweise bei einer Tonalarmanlage der Fall ist Ein Beispiel für eine derartige Anlage ist die von der Anmelderin hergestellte und gelieferte elektronische Tonsignalanlage, bei der ein piezoelektrischer Wandler zur Erzeugung eines hörbaren Signals mit einem Festkörper-Treiberverstärker zusammenarbeitet. Ein Beispiel für einen derartigen Verstärker, welcher als Oszillator arbeitet, ist in der US-Patentschrift 34 40 648 beschrieben.

Speziell zur Erzeugung von lauten Tönen kann in einem piezoelektrischen Wandler als piezoelektrisches Element ein stark angesteuertes piezokeramisches Material verwendet werden. Das Element ist als Scheibe aus piezokeramischem Material mit einer Dicke von etwa 0,15 bis 0,3 mm und einem Durchmesser von etwa 1,27 bis 3,81 cm ausgebildet. Auf den Flächen dieser Scheibe ist jeweils eine Metallschicht vorgesehen. Als piezokeramisches Material für eine derartige Scheibe kommt beispielsweise ein Zirkonat-Titanat in Frage. Auf den Flächen der Scheibe ist jeweils eine Silberschicht vorgesehen. Das genannte Material ist ein piezokeramisches Material, das Bleizirkonat-Titanat enthält

Zur Schallerzeugung wird ein derartiges piezoelektrisches Element mit einem Resonatorelement, beispielsweise einer Metallscheibe verbunden, welche eine Dikke von etwa 0,15 bis 03 mm und einen Durchmesser von etwa 1,27 bis 3,81 cm besitzt Wenn das piezoelektrische Element als Funktion der vom Festkörper-Treil srkreis kommenden Signale seine geometrische Gestalt ändert, so schwingt das Resonatorelement Diese Schwingungen werden an die umgebende Luft weitergegeben, was zur Schallerzeugung führt.

Piezoelektrische Elemente, die beispielsweise aus dem oben genannten Material bestehen, arbeiten zwar in stark aussteuernden selbstschwingenden Schaltungen zufriedenstellend; dabei treten jedoch sehr früh Fehler auf. Die dynamische Natur des hochausgesteuerten piezoelektrischen Elementes und der Betrieb eines derartigen Elementes bei erhöhten Temperaturen kann dazu führen, daß sich sowohl im Material des Elementes als auch in den auf den Flächen des Elementes befindlichen dünnen Metallschichten Risse bilden. Diese Risse isolieren Bereiche des Elementes von einer elektrischen Zuleitung, die an einer Stelle mit einer der Metallschichten verbunden ist Durch Trennung von einer Spannungszuführung werden die isolierten Bereiche unwirksam, wodurch wiederum der Wandler teilweise unwirksam wird.

Diese Problematik tritt bei einem piezoelektrischen Wandler der gattungsgemäßen Art auf, wie er aus der DE-OS 21 41 643 bekanntgeworden ist. Es werden dabei jedoch Maßnahmen zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Brüchen bzw. rissen nicht aber zur Aufrechterhaltung des Betriebes nach dem Auftreten von Brüchen bzw. Rissen angegeben.

Entsprechendes gilt für einen aus der DE-OS 20 46 901 bekanntgewordenen piezoelektrischen Wandler.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen V/andler der in Rede stehenden Art anzugeben, der auch lsoch nach dem Auftreten von Rissen oder Brüchen betriebstüchtig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler ist auf dem piezoelektrischen Element ein dünner Film aus elektrisch leitendem, elastischem Material vorgesehen. Dieser dünne Film muß so elastisch sein, daß er bei Änderungen der geometrischen Gestalt des piezoelektrischen Elementes zu schwingen vermag. Gleichzeitig muß er elektrisch leitend sein. Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung wird der dünne Film aus elektrisch leitendem, elastischem Material durch einen Kunststoff gebildet, der auf wenigstens einer Fläche einen Metallüberzug besitzt. Wird der dünne Film gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durch Polyester mit einer Dicke von etwa 0,03 mm gebildet, so ist auf einer Fläche ein Überzug aus Aluminium vorgesehen. Dabei kann es sich um aluminisiertes Polyäthylen-Teraphthalat handeln. Die mit dem Metallüberzug versehene Fläche des dünnen Films wird mittels eines elektrisch leitenden Bindemittels mit einer Fläche des piezoelektrischen Elementes verbunden. Die Kombination aus Film und piezoelektrischem Element besitzt im Vergleich zum Element allein eine

größere Biegefestigkeit Der Film hält weiterhin die elektrische Verbindung über den Metallüberzug und das Bindemittel mit dem Oberflächenbereich der Metallschicht auf einer Fläche des piezoelektrischen Elementes aufrecht, wobei die Metallschicht mit dem Film in Kontakt steht Wenn das piezoelektrische Element und die auf dessen Oberfläche befindlichen Metallschichten brechen, so bleibt der Film intakt, wobei der auf ihm befindliche Metallüberzug einen elektrischen Kontakt zu den gebrochenen Teilen aufrechterhält Damit bleiben diese Teile weiterhin peizoelektrisch aktiv. Der dünne Film aus elektrisch leitendem, elastischem Material verbessert daher sowohl die strukturelle Festigkeit als auch die elektrische Kontinuität des piezoelektrischen Elementes, wodurch dessen Lebensdauer erhöht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

Fig.! eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Wandler; und

F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 2-2 in F ig. 1.

Gemäß F i g. 1 besitzt ein piezoelektrischer Wandler 10 ein Resonatorelement 12, ein piezoelektrisches Element 14, einen Film 16 aus elektrisch leitendem, elastischem Material, Befestigungsmittel 18 für elektrische Zuleitungen sowie zwei elektrische Zuleitungen 20 und 22. Das Resonatorelement 12 wird durch eine Metallscheibe 24 gebildet Die Befestigungsmittel 18 für elektrische Zuleitungen werden durch zwei Schichten 26 und 27 aus Metall enthaltendem Material, beispielsweise aus Silber gebildet, die jeweils an einer Fläche des piezoelektrischen Elementes 14 haften. Die auf dem piezoelektrischen Element 14 vorgesehene Schicht 26 aus Metall enthaltendem Material ist mittels eines elektrisch leitenden Bindemittels 28 mit einer Fläche des Resonatorelemente.s 12 verbunden. Das Bindemittel 28 wird durch ein Epoxyd 30 gebildet, das mit Metallpartikeln 32, beispielsweise aus Kupfer imprägniert ist. Die Größe der Partikel 32 reicht zur Kontaktgabe so- ohl mit der Schicht 26 als auch mit dem Resontorelement 12 aus.

Der Film 16 aus elektrisch leitendem, elastischem Material besitzt eine Beschichtung 17 aus elektrisch leitendem Material. Im dargestellten Ausführungsbeispie! wird der Film 16 durch einen aluminisierten Polyesterfilm 34 mit einer Polyesterbasis 36 und einem aiuminisierten Überzug 38 gebildet. Dieser Film 16 ist durch Bindemittel 28 mit der Schicht 27 aus Metall enthaltendem Material derart verbunden, daß die Beschichtung 17 aus elektrisch leitendem Material dem piezoelektrischen Element 14 benachbart ist. Auch hier reicht die Größe der Metallpartikel 32 im Bindemittel 28 aus, um einen Kontakt sowohl mit der Beschichtung 17 als auch der Schicht 27 aus Metall enthaltendem Material zu gewährleisten.

Die Zuleitung 20 ist mit der Oberfläche der Schicht 27 aus Metall enthaltendem Material verbunden. Die andere elektrische Zuleitung 22 ist mit dem Resonatorelement 12 verbunden. Gemäß F i g. 2 sind die elektrischen Zuleitungen 20 und 22 bei dem in Rede stehenden Ausführungsbeispiel durch Lot 40 mit dem piezoelektrischen Wandler 10 verbunden.

Über die elektrischen Zuleitungen 20 und 22 wird dem piezoelektrischen Wandler 10 von einem (nicht dargestellten) Festkörper-Treiberverstärker Spannung zugeführt, so daß er schwingt. Sowohl diese Schwinals auch hohe Be ''ebstemDeraturen können zur Bildung von Rissen 42 im piezoelektrischen Element 14 und in den Metallschichten 26 und 27 führen. Diese gebrochenen Teile des piezoelektrischen Elementes 14 enthalten jedoch über die Beschichtung 17 aus elektrisch leitendem Material des Films 16 aus elektrisch leitendem, elastischem Material weiterhin Spannung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Wandler mit einer metallischen Scheibe und einem auf dieser Scheibe angeordneten piezoelektrischen Element, bei dem mit sich gegenüberliegenden Flächen des piezoelektrischen Elements eine erste und eine zweite Schicht aus Metall enthaltendem Material haftend verbunden sind, von denen die erste Schicht mit der metallisehen Scheibe elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film (16) aus elastischem Material mit einer Beschichtung (17) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, der mit der zweiten Schicht (27) aus Metall enthaltendem Material elektrisch verbunden ist und daß mit der zweiten Schicht (27) aus Metall enthaltendem Material und der metallischen Scheibe (24) elektrische Zuleitungen (20, 22) verbunden sind, wodurch ein elektrischer Kon^St zwischen gebrochenen Stücken des piezoelektrischen Elements (14) und dem Metall enthaltenden Material über die Beschichtung (17) aus elektrisch leitendem Material aufrecht erhalten bleibt

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der<iie Beschichtung (17) aufweisende Film (15) aus elastischem Material durch ein elastisches Grundmaterial mit einem Aluminium-Oberzug gebildet ist

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (26) und die Btichichiuig (17) mittels eines Bindemittels aus einem icit Metallpartikeln (32) imprägnierten Epoxyds (30) mit dt Scheibe (24) bzw. der zweiten Schicht (27) elektrisch verbunden sind.

4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche ι bis 3, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und zweiten Schicht (26, 27) aus Silber.

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