EP1329875A2 - Ultraschallwandler-Einrichtung mit Elektroden aus elektrisch leitenden Kunststoffen - Google Patents

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EP1329875A2
EP1329875A2 EP02026123A EP02026123A EP1329875A2 EP 1329875 A2 EP1329875 A2 EP 1329875A2 EP 02026123 A EP02026123 A EP 02026123A EP 02026123 A EP02026123 A EP 02026123A EP 1329875 A2 EP1329875 A2 EP 1329875A2
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EP
European Patent Office
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ultrasonic transducer
transducer device
damping mass
shaped
piezoceramic element
Prior art date
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Withdrawn
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EP02026123A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Dr. Reck
Thomas Siebenhaar
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ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Original Assignee
ContiTech Luftfedersysteme GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G—PHYSICS
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    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the generic ultrasound transducer device outlined in the preamble of claim 1 consists essentially of a disk-shaped piezoceramic element, that by means of voltage pulses (single pulse or pulse group) to vibrate higher Frequency is excited.
  • the thickness of the piezoceramic element determines the Natural frequency of the transducer, and the ratio between the circumference and the thickness the transducer disc determines the radiation characteristics.
  • the acoustic impedance of the piezoceramic element is five orders of ten higher than the air's impedance at ambient pressure. Without an appropriate adjustment the sound waves within the piezoceramic element at the boundary layer with the air almost completely reflected and only a fraction of the sound power is transmitted to the air. That is why ultrasonic transducers have a so-called adaptation layer, often as a pot is trained. A power adjustment and thus an optimal signal transmission To achieve this, the thickness of the matching layer must be exactly a quarter of the wavelength be. In addition, the acoustic impedance of the material used must meet the correspond to geometric means from the impedances of the air and the piezoceramic.
  • FIG 2 shows schematically the structure of a generic Ultrasonic transducer device 20 according to the prior art (see also publication DE 198 11 982 A1 in conjunction with DE 40 28 315 A1).
  • the oscillator 21 of the ultrasonic transducer device 20 is a thin, conductive on both sides coated disk made of a piezoceramic.
  • the electrical connection of the transducer 21 takes place via copper strands 22a, 22b which are connected to the contact layers 23a, 23b of the Piezoceramic elements 21 are soldered.
  • the piezoceramic element 21 glued to the bottom of a plastic pot 24, which serves as an adaptation body.
  • the pot 24 is then filled with a damping mass 25, which is used for Opened the pot 24 absorbed sound energy.
  • the adjustment pot 24 In order to assemble the Sound transducer 20 to prevent the transmission of structure-borne noise, the adjustment pot 24 previously embedded in a soft plastic mass 26.
  • Matching layer 24 made of an epoxy resin, which contains such a high proportion of micro-glass spheres is offset that adjacent balls touch.
  • the synthetic resin provides for the strength and the hollow spheres reduce the specific weight and thus the acoustic impedance of the material.
  • the damping material 25 with which the adaptation cup 24 is filled consists of a plastic that is mixed with corundum particles caused by friction sound energy dismantle.
  • the potting compound 26 for decoupling the structure-borne noise is also a Plastic.
  • the assembly of the ultrasonic transducer 20 described above is done because of the complex Work processes largely by hand.
  • soldering the connecting leads 22a, 22b to the contact surfaces 23a, 23b of the Piezoceramic elements 21 Another disadvantage is that the adaptation pot 24 has a depression 27 must have, which receives a 28a of the solder joints 28a, 28b.
  • the handling of the wired ceramic plates 21 is problematic because they tear or even with a small bending load on the connecting strands 22a, 22b break through. Damage to the ceramic element 21 that is not noticeable during the visual inspection, can only be recognized during the electrical test at the end of the assembly of a converter 20 become.
  • the sound transducers 20 are mainly operated as a transmitting / receiving unit.
  • the Source impedance of the piezoceramic element 21 is very high, so that the downstream one Amplifier stage must have a high input impedance. This makes the entry level of the receiver sensitive to the coupling of electrical interference fields. To do this prevent, the transducer 20 is usually with a suitable shield surrounded (e.g. shielding plate).
  • the micro glass hollow spheres metallized before they are mixed with the synthetic resin. The more The balls in the mixture touch, the more current paths and the more the specific resistance of the material decreases further.
  • the damping material and the material for decoupling structure-borne noise by adding conductivity black (with a large surface area and high dibutyl phthalate adsorption) made electrically conductive.
  • the main advantage of the ultrasonic transducer device according to the invention is in that the manual soldering of connection leads to the piezoceramic element is eliminated. This considerably simplifies assembly and even opens up the possibility of one automatable production of the transducer device.
  • the direct connection of the transducer element to a printed circuit board simplifies it the connection between the converter and the subsequent electronic circuit because Manual soldering is also omitted at this interface.
  • the conductive plastics also shield against high-frequency alternating magnetic fields. By adding ferromagnetic particles, the shielding attenuation of the increase used materials further. There is no need for a separate shield plate become.
  • Ultrasonic transducer device 10 is a disk-shaped piezoceramic element 11 which has metallic contact layers on both sides with contact surfaces 12a, 12b.
  • a 12a the contact surfaces 12a, 12b is on the bottom of a cup-shaped, electrically conductive Adaption body 13 glued, with a conductive adhesive.
  • the strength of the Adaptation layer 13 is a quarter wavelength ( ⁇ / 4) of the one to be used Ultrasound signals.
  • the acoustic impedance of the matching layer 13 corresponds to this geometric mean of the acoustic impedances of the surrounding medium (air) and the piezoceramic.
  • On the other 12b of the contact surfaces 12a, 12b one is electrical conductive damping mass 14 glued.
  • an insulating layer 15 for separating the two Current paths to the connection areas 12a, 12b of the piezoceramic element 11.
  • the carrier plate 16 has metallic contact surfaces 18a, 18b, with the conductive plastic components 14, 17 of the ultrasonic transducer device 10 be glued.
  • the carrier plate 16 is a circuit board with an interface to subsequent evaluation electronics (not shown).

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Abstract

Eine Ultraschallwandlereinrichtung (10) besteht aus einem scheibenförmigen Piezokeramikelement (11), das auf seiner Oberseite mit einem λ/4-Anpassungskörper (13) und das auf seiner Unterseite mit einer Dämpfungsmasse (14) und einer Entkopplungsschicht (17) versehen ist. Um Anschlusslitzen und die damit verbundenen Probleme zu vermeiden, sind die Kunststoffbauteile (13, 14, 17) die den piezoelektrischen Schwinger (11) umgeben, elektrisch leitend gemacht und werden direkt zur Kontaktierung des Piezokeramikelements (11) genutzt. Der Anpassungskörper (13) besteht vorzugsweise aus metallisierten Mikro-Glaskugeln, die mit Kunstharz vermischt sind. Die Dämpfungsmasse (14) und die Entkopplungsschicht (17) können durch Zugabe von Leitfähigkeitsruß niederohmig gemacht und dienen als elektrische Anschlüsse. Durch Zugabe ferromagnetischer Partikel lässt sich die Schirmdämpfung gegen magnetische Wechselfelder verbessern. <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissene gattungsgemäße Ultraschallwandler-Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem scheibenförmigen Piezokeramikelement, das durch Spannungsimpulse (Einzelimpuls oder Impulsgruppe) zu Schwingungen hoher Frequenz angeregt wird. Dabei bestimmt die Dicke des Piezokeramikelements die Eigenfrequenz des Schwingers, und das Verhältnis zwischen dem Umfang und der Dicke der Wandlerscheibe bestimmt die Abstrahlcharakteristik.
Die akustische Impedanz des Piezokeramikelements liegt um fünf Zehnerpotenzen höher als die Impedanz der Luft bei Umgebungsdruck. Ohne eine geeignete Anpassung würden die Schallwellen innerhalb des Piezokeramikelements an der Grenzschicht zur Luft fast vollständig reflektiert und nur ein Bruchteil der Schallleistung an die Luft übertragen. Deshalb haben Ultraschallwandler eine sogenannte Anpassungsschicht, die häufig als Topf ausgebildet ist. Um eine Leistungsanpassung und damit eine optimale Signalübertragung zu erzielen, muss die Dicke der Anpassungsschicht genau ein Viertel der Wellenlänge betragen. Außerdem muss die akustische Impedanz des verwendeten Materials dem geometrischen Mittel aus den Impedanzen der Luft und der Piezokeramik entsprechen.
Die Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau einer gattungsgemäßen Ultraschallwandler-Einrichtung 20 nach dem Stand der Technik (siehe auch Druckschrift DE 198 11 982 A1 i.V.m. DE 40 28 315 A1).
Der Schwinger 21 der Ultraschallwandlereinrichtung 20 ist eine dünne, beidseitig leitfähig beschichtete Scheibe aus einer Piezokeramik. Der elektrische Anschluss des Schwingers 21 erfolgt über Kupferlitzen 22a, 22b, die mit den Kontaktschichten 23a, 23b des Piezokeramikelements 21 verlötet sind. Nach dem Verlöten wird das Piezokeramikelement 21 auf den Boden eines Kunststofftopfes 24 geklebt, der als Anpassungskörper dient. Anschließend wird der Topf 24 mit einer Dämpfungsmasse 25 ausgefüllt, die die zur Öffnung des Topfes 24 abgestrahlte Schallenergie absorbiert. Um bei der Montage des Schallwandlers 20 die Übertragung von Körperschall zu verhindern, wird der Anpassungs-Topf 24 zuvor in eine weiche Kunststoffmasse 26 eingebettet.
In der Praxis lassen sich die Forderung bezüglich der akustischen Impedanz des Anpassungsmaterials und die Forderungen nach dessen Festigkeit und Medienbeständigkeit nicht gleichzeitig erfüllen. Ein Kompromiss ist eine Anpassungsschicht 24 aus einem Epoxydharz, das mit einem so hohen Anteil an Mikro-Glashohlkugeln versetzt ist, dass sich benachbarte Kugeln berühren. Das Kunstharz sorgt für die Festigkeit und die Hohlkugeln senken das spezifische Gewicht und damit die akustische Impedanz des Materials.
Das Dämpfungsmaterial 25 mit dem der Anpassungstopf 24 aufgefüllt wird, besteht aus einem Kunststoff, der mit Korundteilchen vermischt ist, die durch Reibung Schallenergie abbauen. Die Vergussmasse 26 zur Entkopplung des Körperschalls ist ebenfalls ein Kunststoff.
Die Montage des oben beschriebenen Ultraschallwandlers 20 erfolgt wegen der komplexen Arbeitsvorgänge weitgehend von Hand. Als besonders nachteilig hervorzuheben ist dabei das Verlöten der Anschlusslitzen 22a, 22b mit den Kontaktflächen 23a, 23b des Piezokeramikelements 21. Nachteilig ist auch, dass der Anpassungstopf 24 eine Vertiefung 27 aufweisen muss, die eine 28a der Lötstellen 28a, 28b aufnimmt. Bei der Montage muss das Piezokeramikelement 21 entsprechend ausgerichtet werden. Auch die Handhabung der bedrahteten Keramikplättchen 21 ist problematisch, weil sie bereits bei geringer Biegebelastung der Anschlusslitzen 22a, 22b einreißen oder durchbrechen. Schäden am Keramikelement 21, die bei der Sichtprüfung nicht auffallen, können erst bei der elektrischen Prüfung am Ende der Montage eines Wandlers 20 erkannt werden.
Die Schallwandler 20 werden überwiegend als Sende-/Empfangseinheit betrieben. Die Quellenimpedanz des Piezokeramikelements 21 ist sehr hoch, so dass die nachgeschaltete Verstärkerstufe eine hohe Eingangsimpedanz haben muss. Dies macht die Eingangsstufe des Empfängers empfindlich gegen die Einkopplung elektrischer Störfelder. Um dies zu verhindern, wird der Schallwandler 20 in der Regel mit einer geeigneten Abschirmung umgeben (z. B. Abschirmblech).
Lösung und Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sind die Kunststoffe, die den piezokeramischen Schwinger umgeben, elektrisch leitend und werden direkt zur Kontaktierung des Piezokeramikelements genutzt. Das Material des Anpassungstopfes, die Dämpfungsmasse und die Masse zur Entkopplung des Körperschalls (Entkopplungsmasse) werden durch den Zusatz leitfähiger Partikel niederohmig gemacht, und dienen als elektrische Anschlüsse.
Um das Material des Anpassungskörpers leitend zu machen, werden die Mikro-Glashohlkugeln metallisiert, bevor sie mit dem Kunstharz vermischt werden. Je mehr Kugeln in dem Gemisch sich berühren, desto mehr Strompfade ergeben sich und desto weiter sinkt der spezifische Widerstand des Materials.
Das Dämpfungsmaterial und das Material zur Entkopplung des Körperschalls werden durch die Zugabe von Leitfähigkeitsruß (mit großer Oberfläche und hoher Dibutylphthalat-Adsorption) elektrisch leitend gemacht.
Auch bei hohen Konzentrationen leitfähiger Partikel bleibt der spezifische Widerstand elektrisch leitender Kunststoffe wesentlich größer als der von Metall. Bei der erfindungsgemäßen Kontaktierung des Piezokeramikelements über leitende Kunststoffe erhöht sich folglich der ohmsche Widerstand der Zuleitung. Praktische Versuche mit einem konventionellen Ultraschallwandler haben jedoch gezeigt, dass sich ein Längswiderstand von circa 200 Ω in der Zuleitung nur geringfügig auf die Signalqualität des Wandlers auswirkt.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Einrichtung besteht darin, dass das manuelle Anlöten von Anschlusslitzen an das Piezokeramikelement entfällt. Dies vereinfacht die Montage erheblich und eröffnet sogar die Möglichkeit einer automatisierbaren Fertigung der Schallwandler-Einrichtung.
Durch die direkte Verbindung des Wandlerelements mit einer Leiterplatte vereinfacht sich der Anschluss zwischen dem Wandler und der nachfolgenden Elektronikschaltung, weil auch an dieser Schnittstelle das manuelle Löten entfällt.
Aufgrund des relativ geringen spezifischen Widerstandes der Materialien, die den Piezoschwinger umgeben, ergibt sich eine Schirmwirkung gegen elektrische Felder. Die leitenden Kunststoffe schirmen auch gegen hochfrequente magnetische Wechselfelder. Durch die Zugabe ferromagnetischer Partikel lässt sich die Schirmdämpfung der verwendeten Materialien weiter erhöhen. Auf ein separates Schirmblech kann verzichtet werden.
Zeichnung
In den Zeichnungen sind zwei verschiedene Ultraschallwandler dargestellt:
  • Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ultraschallwandlereinrichtung;
  • Fig. 2 zeigt den Längsschnitt durch eine Ultraschallwandlereinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik vorbekannt ist.
    • Beschreibung
    Das Kernstück der in Abbildung 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ultraschallwandlereinrichtung 10 ist ein scheibenförmiges Piezokeramikelement 11, das beidseitig metallische Kontaktschichten mit Kontaktflächen 12a, 12b aufweist. Eine 12a der Kontaktflächen 12a, 12b ist auf den Boden eines topfförmigen, elektrisch leitfähigen Anpassungskörper 13 geklebt, und zwar mit einem leitfähigen Klebstoff. Die Stärke der Anpassungsschicht 13 beträgt eine Viertel Wellenlänge (λ/4) der zu verwendenden Ultraschallsignale. Die akustische Impedanz der Anpassungsschicht 13 entspricht dem geometrischen Mittel der akustischen Impedanzen des umgebenden Mediums (Luft) und der Piezokeramik. Auf die andere 12b der Kontaktflächen 12a, 12b ist eine elektrisch leitende Dämpfungsmasse 14 geklebt.
    Zwischen der Wand des Anpassungstopfes 13 und der elektrisch leitenden Dämpfungsmasse 14 befindet sich eine Isolierschicht 15, zur Trennung der beiden Strompfade zu den Anschlussflächen 12a, 12b des Piezokeramikelements 11.
    Zwischen dem Anpassungstopf 13 und einer Trägerplatte 16 befindet sich eine Kunststoffschicht 17 zur Entkopplung des Körperschalls, die ebenfalls aus einem leitenden Material besteht. Die Trägerplatte 16 hat metallische Kontaktflächen 18a, 18b, die mit den leitfähigen Kunststoffbauteilen 14, 17 der Ultraschallwandlereinrichtung 10 verklebt werden. Die Trägerplatte 16 ist eine Leiterplatte mit einer Schnittstelle zur nachfolgenden (nicht dargestellten) Auswerteelektronik.
    Bezugszeichenliste
  • (a) Erfindung
    10
    Ultraschallwandlereinrichtung
    11
    Piezokeramikelement
    12a, 12b
    Kontaktschicht(en), Kontaktfläche(n), Anschlussfläche(n)
    13
    Anpassungskörper, Anpassungsschicht, Anpassungstopf
    14
    Dämpfungsmasse (Kunststoffbauteil)
    15
    Isolierschicht
    16
    Trägerplatte (Leiterplatte)
    17
    Kunststoffschicht (Kunststoffbauteil), Entkopplungsschicht
    18a, 18b
    Kontaktfläche(n)
  • (b) Stand der Technik
    20
    Ultraschallwandlereinrichtung, Ultraschallwandler, Schallwandler, Wandler
    21
    Piezokeramikelement, Keramikplättchen, Schwinger
    22a, 22b
    Kupferlitze(n), Anschlusslitze(n)
    23a, 23b
    Kontaktschicht(en), Kontaktfläche(n)
    24
    Kunststofftopf, Topf, Anpassungstopf, Anpassungsschicht
    25
    Dämpfungsmasse, Dämpfungsmaterial
    26
    Kunststoffmasse, Vergussmasse
    27
    Vertiefung
    28a, 28b
    Lötstelle(n)

    • Claims (8)

    1. Ultraschallwandlereinrichtung (10)
      mit einem scheibenförmigen Piezokeramikelement (11),
      das auf seiner Oberseite mit einem λ/4-Anpassungskörper (13) und
      das auf seiner Unterseite mit einer Dämpfungsmasse (14) und einer Entkopplungsschicht (17) versehen ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (13) und/oder die Dämpfungsmasse (14) und die Entkopplungsschicht (17) aus einem elektronisch leitenden Kunststoff besteht.
    2. Ultraschallwandlereinrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (13) aus metallisierten Mikro-Glaskugeln besteht, die mit Kunstharz vermischt sind.
    3. Ultraschallwandlereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (14) und die Entkopplungsschicht (17) durch Zugabe von Leitfähigkeitsruß elektrisch leitend gemacht sind.
    4. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass der λ/4-Anpassungskörper (13) topfförmig ausgebildet ist.
    5. Ultraschallwandlereinrichtung nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der zylindrischen Innenwand des topfförmigen Anpassungskörpers (13) einerseits und Piezokeramikelement (21) und Dämpfungsmasse (14) andererseits eine Isolierschicht (15) befindet.
    6. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      gekennzeichnet durch
      eine Zugabe ferromagnetischer Partikel in die elektrisch leitfähigen Kunststoffbauteile (14, 17), die das Piezokeramikelement (11) umgeben.
    7. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      gekennzeichnet durch
      eine Trägerplatte (16) mit metallischen Kontaktflächen (18a, 18b), auf die die leitfähigen Kunststoffbauteile (14, 17) mit leitfähigem Klebstoff geklebt sind.
    8. Ultraschallwandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (16) eine Leiterplatte ist mit Schnittstelle zu einer nachfolgenden Auswerteelektronik.
    EP02026123A 2002-01-18 2002-11-23 Ultraschallwandler-Einrichtung mit Elektroden aus elektrisch leitenden Kunststoffen Withdrawn EP1329875A2 (de)

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