DE3221145A1 - Selbstklebender piezoelektrischer wandler und vorrichtung zur anwendung des wandlers - Google Patents
Selbstklebender piezoelektrischer wandler und vorrichtung zur anwendung des wandlersInfo
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Description
PRINZ, B.UNKE.& PABJ-NER
Patentanwälte I T""£uPOf>aä,-)-P'alienfr Ahorneys 0 C/L \ l
München ,. Stuttgart
3. Juni 1982
CGR
13, Square Max Hymans
75015 Paris / Frankreich
Unser Zeichen: C 3329
Selbstklebender piezoelektrischer Wandler und Vorrichtung
zur Anwendung des Wandlers
Die Erfindung betrifft einen selbstklebenden piezoelektrischen Wandler sowie eine Vorrichtung zur Anwendung dieses
Wandlers.
Piezoelektrische Wandler sind reversible Vorrichtungen, die imstande sind, mechanische Belastungssignale in elektrische
Signale umzusetzen. Sie finden insbesondere auf zwei großen Anwendungsgebieten Einsatz: Die medizinische
Echographie und die nichtdestruktive Prüfung in der Industrie. Herkömmlicherweise sind diese Wandler aus einem
Plättchen aus piezoelektrischer Keramik gebildet, z.B. aus Wolframpolyzinkat (PZT). Zu ihrer Anwendung sind Mittel
für die mechanische Kopplung erforderlich, und in vielen Fällen wird auch eine akustische Impedanzanpassung
erforderlich. Dies geschieht durch Anwendung einer Flüssigkeit oder eines Gels zur akustischen Kopplung sowie einer
mechanischen Befestigung an dem zu untersuchenden Körper.
HD/Ma
ü"i'ϋνΌ.::/ 3221 Uö
Durch die Erfindung wird es ermöglicht, die Anwendung
derartiger Mittel zu vermeiden.
In der DE-OS 30 00 224 sind plastische Wandler aus organischem
Polymer- oder Copolymermaterial beschrieben, bei denen ein elektrisches Feld zu piezoelektrischen Effekten
führt. Dies trifft z.B. auf Polyvinilidenfluorid PVF 2, Polytetrafluoräthylen PTFE und ihre Copolymere zu.
Bei einem so ausgebildeten Wandler ist eine flexible Schicht aus piezoelektrischem Material zwischen zwei
leitfähigen Metallfilmen angeordnet. Jede durch eine von dem Wandler empfangene Schallwelle verursachte
Deformierung wird in eine Amplitudenmodulation der Polarisationsspannung des Wandlers umgesetzt. Durch die Erfindung
wird eine besonders vorteilhafte Ausführung dieses Wandlertyps geschaffen.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wandler enthält
einen piezoelektrischen Film aus einem flexiblen organisehen Material, zwei Metallbeläge, elektrische Anschlüsse
und eine Kleberschicht aus einem Klebermaterial, das akustische Eigenschaften hat, und dieser Wandler ist dazu
bestimmt, auf beliebige Abmessungen zugeschnitten zu werden, und zwar unter Zuhilfenahme der Vorrichtung zur
Anwendung des Wandlers. In einer solchen Vorrichtung ist ein Vorrat eines Materials zur Herstellung des Wandlers
in Form eines kontinuierlichen Bandes gespeichert. Der Benutzer schneidet ein Stück beliebiger Länge von diesem
gespeicherten Wandlermaterial ab. Der Wandler ist dann funktionsbereit.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers besteht
darin, daß er betriebsfähig ist, ohne eine Dämpfung'
der rückseitigen Schallwelle zu benötigen. Bei der akustischen Abstrahlung ist es oft zweckmäßig, ohne rückseitige
Dämpfung zu arbeiten, wenn das überwachte Material aus einem harten Stoff besteht. Durch das Fehlen eines
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Dämpfers wird die Masse des Wandlers vermindert. Daraus ergibt sich, daß der Reflexionsgrad der Schallwellen
an dem Aufnehmer vermindert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispilen
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Stücks eines erfindungsgemäßen Wandlers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Auführungs-
beispiels des Wandlers;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anwendung des Wandlers; und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines aus vielen Elementen bestehenden Wandlers.
Der erfindungsgemäße Wandler umfaßt ein Band 2 aus Plastikmaterial.
Über zwei Beläge 1, 3 kann eine elektrische Polarisierung angelegt werden bzw. können elektrisehe
Signale abgegriffen werden. Ein solches Band ist im Handel in verschiedenen Breiten-, Längen- und Dickenabmessungen
verfügbar. Ein Band mit geringer Dicke hat den Vorteil einer sehr geringen mechanischen Steifigkeit.
Auf einer Seite des Wandlerbandes ist ein dünnes Kleberband 4 aufgebracht. Dieses Band ist dazu bestimmt, eine
gute akustische Anpassung der gesamten Wandleroberfläche
an die überwachte Oberfläche zu gewährleisten. Ferner gestattet es eine lösbare Befestigung des Wandlers an dem
überwachten Objekt, ohne äußere Mittel zu benötigen, wie dies nach herkömmlicher Technik erforderlich ist. Insbesondere
werden Befestigungen durch Bohrungen oder Riemen vermieden, wie sie bei industriellen Anwendungen
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Z- k
bisher benötigt wurden. Eine einfache Vorbehandlung der Oberfläche, die auch bei der Anwendung herkömmlicher
Wandler erforderlich ist, reicht aus, bevor der selbstklebende Wandler aufgebracht wird.
Der bandförmige Wandler kann bereits bei seiner Herstellung mit elektrischen Anschlüssen versehen werden. Die
Metallfilme 1 , 3 sind dann seitlich durch Anschlüsse verlängert, die z.B. mit einem Loch versehen werden, das
IQ dazu bestimmt ist, einen elektrischen Draht aufzunehmen,
der die Verbindung mit dem akustischen Prüfgerät herstellt. Derartige Anschlüsse können in regelmäßigen
Abständen ausgeschnitten werden. Ein solcher Anschluß eines gegebenen Belags des Wandlers wird mit einem der
elektrischen Pole des Untersuchungsgerätes verbunden.
Durch diese Ausbildung des Wandlers kann er sehr schnell seiner Anwendung zugeführt werden, selbst wenn eine große
Anzahl von Überwachungsaufnehmerη eingesetzt werden muß,
wie dies bei der Überwachung von Industrieanlagen der Fall ist (Raffinerien, Kernkraftwerke usw.).
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden
die Anschlüsse auf dem Wandler unmittelbar vor dessen Anbau aufgebracht. Jeder Anschluß umfaßt eine Reihe von
Zähnen, die dazu bestimmt sind, in den Wandler einzudringen, bis der leitfähige Belag 1 bzw. 3 erreicht ist,
mit dem eine elektrische Verbindung hergestellt werden soll. Der Anschluß kann eingedrückt und dann an der Oberfläche
des Wandlers festgeklebt werden.
Die Kleberschicht 4 kann durch Aufbringen einer dünnen Schicht eines Adhäsivharzes gebildet werden. Die Dicke
und die akustische Charakteristik des Harzes sind so gewählt, daß die akustische Impedanz eine günstige Kopplung
ergibt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Kleberschicht aus einem doppelseitig kleberbeschichteten
Band gebildet, dessen eine Seite für die Berührung mit piezoelektrischen Band und dessen andere Seite für den
Kontakt zwischen dem Wandler und der zu überwachenden Oberfläche bestimmt ist. Die akustischen Eigenschaften
der Kleberschicht werden ausgenutzt, um eine Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Band und der
überwachten Oberfläche zu erreichen.
Die Vorrichtung zur Anwendung des verwendungsbereiten Wandlers ermöglicht es, gleichzeitig den Wandlervorrat
zu speichern und die gewünschte Länge des Wandlers zur Verfügung zu stellen. Diese Vorrichtung kann mit minimalem
Aufwand verwirklicht werden. In ihrer einfachsten Form umfaßt sie eine Trommel, auf der das Wandlerband
aufgewicktl ist, und eine manuell betätigte Schneidvorrichtung.
Wenn das Wandlerband noch nicht mit Anschlüssen versehen ist, muß noch dafür Sorge getragen werden, daß die elektrischen Anschlüsse angebracht werden.
Bei dem manuell betätigten Schneidwerkzeug kann es sich um eine Rasierklinge oder dergleichen oder um eine
Schere handeln.
Durch die Form der elektrischen Anschlüsse wird die Einrichtung zu deren Aufbringen bestimmt. In Fig. 2 ist
eine Klammer 5 gezeigt, bevor diese an dem Wandler 6 durch eine geeignete Vorrichtung nahe dem Rande des
Wandlers 6 befestigt wird. Es ist zu beachten, daß der Wandler eine geringe Dicke aufweist. Die Klammer hat
die Form eines umgekehrten U. Ein Teil 7, das senkrecht zu der den Metallbelag 12 enthaltenden Ebene ist, wird
mit Zähnen versehen, die dazu bestimmt sind, in das
Wandlerband einzudringen, bis der Belag 12 durchbohrt
wird, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Ein zylinderförmiger Stutzen 9 ist am Körper der Klammer 5
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festgeschweißt oder festgelötet/ wodurch ein Anschluß
geschaffen wird, der zur Befestigung auf dem Wandler bereit ist. um die elektrische Verbindung herzustellen,
wird lediglich in den Stutzen 9 das blank gemachte Ende eines elektrischen Verbindungsleiters eingeschoben, und
seine Befestigung wird dadurch gewährleistet, daß der Zylinderteil mittels einer Zange gequetscht wird. Mittels
der beschriebenen Vorrichtung kann die Klammer auf beiden Seiten des Wandlers in Richtung eines Pfeiles 10
aufgeschoben werden, wobei die Zähne sich auf der Seite des Belages befinden, mit dem die Verbindung hergestellt
werden soll..Durch Zusammenquetschen in Richtung eines
Pfeiles 11 wird die Klammer an dem Wandler befestigt und der elektrische Kontakt mit dem Belag 12 hergestellt.
Eine umgekehrt angeordnete Klammer, die auf den gegenüberliegenden Rand oder auch auf denselben Rand des
Wandlers aufgesetzt wird, macht diesen Wandler anschlußfertig. Auf den Rand des Wandlers kann auch eine Mehrzahl
von Anschlußpaaren aufgesetzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform trägt das Wandlerband selbst die Anschlüsse, die bei der Herstellung des piezoelektrischen
Bandes in regelmäßigen Abständen aufgebracht werden. Bei beliebig gewählter Länge des Wandlers ist es
stets möglich, wenigstens ein Anschlußpaar für die elektrische Verbindung zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher der bandförmige
Wandler eine Beschichtung mit einem Adhäsivharz erhält,
ist das Band direkt gebrauchsfähig. Wenn der Wandler mit einem doppelseitigen Kleberband versehen werden muß, so
kann dieses Band auf dem piezoelektrischen Band aufgebracht werden, wenn der Wandler angebaut werden soll.
Eine Ausführungsform einer hierfür geeigneten Vorrichtung
ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Trommel 13 -trägt einen
aufgewickelten Vorrat des bandförmigen Wandlers 17. Eine
Trommel 14 trägt den aufgewickelten Vorrat des Kleber-
bandes 18, das gleichzeitig für eine akustische Impedanzanpassung sorgt. Durch zwei Rollen 15, 16 werden die beiden
Bänder während des Herausziehens des Wandlers in Berührung gehalten, so daß der Wandler einsatzbereit ist.
Um die Länge des herausgezogenen Wandlers erfassen zu
können, kann eine der Rollen 15, 16 (bei der gezeigten Ausführungsform die Rolle 16, die sich auf der Seite
des Kleberbandes befindet) an einen Zähler 19 angekoppelt werden, der in der Länge des abgewickelten Bandes geeicht
ist. Bei einer anderen Ausführungsform werden auf
dem Wandlerband gleichmäßig beabstandete Markierungen aufgebracht, die es dem Benutzer ermöglichen, die gewünschte
Länge zu bestimmen.
Je nach den akustischen und mechanischen Eigenschaften,
die der Wandler aufweisen soll, werden Breite und Dicke des Wandlers entsprechend gewählt.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt eine Vorrichtung
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Wandlers:
- Mittel zum Speichern des Wandlers;
- Mittel zum Herausziehen einer gewünshcten Länge des Wandlers;
- Mittel zur Befestigung der Anschlüsse an dem Wandler; und
- Mittel zum Abschneiden des Wandlers mit der gewünschten Länge.
In einem entfernbaren Gehäuse ist der Wandler auf einer Trommel aufgewickelt, wobei nur eine Trommel verwendet
wird, wenn das Kleberband bereits aufgebracht ist, jedoch zwei Trommeln vorgesehen sind, wenn das Kleberband
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getrennt abgegeben wird. Das Herausziehen des Wandlerbandes
kann von Hand oder automatisch erfolgen. Die Entnahmeeinrichtung kann durch einen Zähler vervollständigt
werden. Eine Einrichtung zur Befestigung der Wandleranschlüsse gestattet, wenn diese Anschlüsse getrennt
geliefert werden, den Wandler in der als Beispiel oben beschriebenen Weise fertigzustellen, der dann so
zugeschnitten wird, daß die Abmessungen des herausgezogenen Wandlerbandes der gewünschten Länge des mit
Anschlüssen versehenen Wandlers entsprechen.
Die Schneidvorrichtung kann manuell betätigt oder in
die Vorrichtung integriert sein. Sie ist durch eine herkömmliche Schere gebildet, die durch dieselbe Bewegung
betätigt wird, die auch die Einrichtung zur Befestigung der Wandleranschlüsse betätigt.
Die Erfindung ist auch anwendbar auf Wandler mit einer Vielzahl von streifenförmige nebeneinander angeordneten
Elementen, insbesondere für den Anwendungsfall der Echographie
mit sektorförmiger Abtastung. Zu diesem Zweck
muß das piezoelektrische Band mit leitfähigen Belägen versehen werden, die in elektrisch isolierte Abschnitte
unterteilt sind. Nur der Teil, der sich zwischen zwei polarisierten Belägen befindet, spricht als Wandler an.
In Fig. 4 ist ein Teil eines piezoelektrischen Bandes mit drei Wandlern gezeigt. Das piezoelektrische Band 20
weist zwei Beläge 21, 22 auf. Diese sind mit Anschlüssen 220, 221, 222 sowie 210, 211, 212 versehen. Jeder Belag
umfaßt leitfähige Abschnitte bzw. Sektoren 23, 24/ 25
bzw. 26, 27 und 28 sowie isolierende Abschnitte 29, 30,
31 bzw. 32, 33, 34.
Die Erfindung ist ferner anwendbar auf die Überwachung
der Schallemission in Industrieanlagen, wo die große
Anzahl von Meßpunkten einer der Faktoren ist, die es erforderlich machen, die zum Anbringen der Wandler er-
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forderliche Zeit und die dafür benötigten Einrichtungen gering zu halten. Der Einsatz von PVF 2 sowie von organischen
piezoelektrischen Polymeren ist besonders zweckmäßig bei der Erfassung der Schallemission, bei der die
Wandler nur als Empfänger arbeiten. Diese piezoelektrischen Polymere weisen nämlich gute Empfängereigenschaften
auf. Die Möglichkeit, zwischen dem Wandler und der überwachten Oberfläche eine Anpassungsschicht anzuordnen,
verbessert ferner den Wirkungsgrad des Empfängers. Überdies nimmt die aufgenommene Vibrationsenergie mit der
Größe des Wandlers zu. Die Erfindung ermöglicht es, die Länge des Wandlers an die jeweiligen örtlichen Verhältnisse
anzupassen.
In solchen Anwendungsfällen, wo die überwachte Struktur aus einem flexiblen oder nachgiebigen Material ist, das
Deformierungen unterworfen wird, hat der erfindungsge- .
mäße Wandler den Vorteile, daß er diesen Bewegungen getreu folgt., weil er aufgeklebt ist. Dies trifft für
den Anwendungsfall von medizinischen Untersuchungen zu,
bei denen z.B. kardiologische Aufnehmer auf der Brust des Patienten aufgeklebt werden, oder für das Beispiel
der Schwangerschaftüberwachung.
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Leerseite
Claims (1)
- PRINZ, BU-NKE Sc-PARTNERPatentanwälte C IEuröpeän IKat^nC ^Utprnöys 3 2 21 145München Stuttgart3. Juni 1982 CGR13, Square Max Hymans
750T5 Paris / FrankreichUnser Zeichen: C 3329Patentansprüche1. Piezoelektrischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens die folgenden Elemente enthält:- elektrische Anschlußmittel (5);- ein Band aus einem flexiblen organischen Material (2);- ein dünnes Kleberband (1) mit akustischen Eigenschaften.2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Band aus einem Polymermaterial gebildet ist.3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial ein solches auf Polyvinilidenfluoridbasis (PVF 2) oder auf Polytetrafluoräthylenbasxs (PTFE) ist.HD/Ma"JH" Ü^- "'Ö'.::. 3?211454. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußmittel gebildet sind durch:- zwei dünne, leitfähige Metallfilme (1, 3), die ohne Kontakt untereinander in das piezoelektrische Band eingebettet sind;- zwei Anschlüsse (5), die auf die Außenoberfläche jeder Seite des piezoelektrischen Bandes aufgesetzt sind.5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschluß (5) einen flachen Teil, der dazu bestimmt ist, an der Oberfläche des piezoelektrischen Bandes befestigt zu werden, und eine Kralle (7) umfaßt, die eindringt und mit dem dünnen Metallfilm (12) in Kontakt gelangt.6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Kleberschicht (4) aus einem dünnen, doppelseitig klebenden Band mit akustischen Eigenschaften gebildet ist.7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschicht (1) als Auftrag eines Klebers mit akustischen Eigenschaften gebildet ist, der eine Impedanzanpassung gewährleistet.8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein solcher auf Zelluloseträgerbasis ist.9. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dünne Metallfilm (1, 3) seitlich aus dem flexiblen Band (2) aus organischem Material heraus durch einen elektrischen Anschluß verlängert ist.L-:f'L':^*O.::."- ' 322i 14510. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Metallfilm (1, 3) aus leitfähigen Zonen (23-25, 26-28) gebildet ist, die mit isolierenden Zonen (29-31, 32-34) abwechseln.11. Vorrichtung zun Anwendung des Wandlers nach einemder vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:- Mittel zum Speichern des Wandlers;- Mittel zum Herausziehen der gewünschten Länge desWandlers;- Mittel zur Befestigung der Anschlüsse an dem abzuschneidenden Wandler;- Mittel zum Abschneiden des Wandlers.12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Speichermittel eine Trommel umfassen, die den Wandler trägt.13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Herausziehen der gewünschten Länge des Wandlers einen Zähler (19) umfassen, der die abgewickelte Länge des Wandlers mißt.14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Anschlüsse und die Schneidmittel zum Abschneiden des Wandlers auf die gewünschte Länge gleichzeitig gesteuert werden.15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Speichern des Wandlers eine Trommel (13) umfassen, auf die das flexible piezoelektrische Band (17) aufgewicktl ist, und eine Trommel (14) umfassen, auf die das Kleberband (18) aufgewickelt ist.
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