WO2023165662A1

WO2023165662A1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: WO2023165662A1
Application number: PCT/DE2023/200027
Authority: WO
Inventors: Edgar Bauer
Original assignee: Richard Wolf Gmbh
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2023-09-07
Also published as: DE102022202115A1; KR20240145508A

Abstract

Der elektroakustische Wandler (1) weist eine Vielzahl von Piezoelementen (2) auf, die in einem Halter (3) in Ausnehmungen angeordnet sind, in denen das Piezoelement (2) formschlüssig in Umfangsrichtung gehalten ist. Weiterhin sind Haltemittel vorgesehen, welche die Piezoelemente (2) an ihren Stirnseiten (9) formschlüssig übergreifen und somit halten. Dieses Gebildet wird dann nach Verdrahtung in eine aushärtende Kunststoffvergussmasse (4) eingebettet.

Description

Titel: Elektroakustischer Wandler

Beschreibung

[01 ] Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

[02] Elektroakustische Wandler der vorgenannten Art werden insbesondere zur Stoßwellenerzeugung für medizinische aber auch andere Anwendungen verwendet. Ein solcher Wandler besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Piezoelemente, die in einer oder mehreren Eben z. B. kalottenförmig angeordnet sind und so einen selbstfokussierenden Wandler bilden. Es sind zahlreiche Wandlerformen bekannt, welche z. B. linienförmig, ringförmig oder punktförmig oder nicht fokussieren.

[03] Dabei zählt es zum Stand der Technik, die Piezoelemente auf einer metallenen Kalotte innenseitig aufzukleben, wobei die Metallkalotte den Träger des späteren Wandlers bildet und gleichzeitig die elektrische Verbindung an einer Seite der Piezoelemente herstellt, wohingegen an der anderen Seite eine Verdrahtung erfolgt und die piezoelektrischen Elemente nachfolgend in einer Vergussmasse eingebettet werden.

[04] Insoweit günstiger ist ein Aufbau wie er aus DE 102010055836 B4 zum Stand der Technik zählt. Bei diesem sogenannten trägerlosen Aufbau dient der sogenannte Träger im Wesentlichen Montagezwecken, d. h. der Halterung der Piezoelemente vor Einbringen der Vergussmasse, die den eigentlichen Träger bildet. In dem flächigen Halter (dort als Träger bezeichnet), welcher die Piezoelemente aufnimmt, sind Durch- gangslöcher vorgesehen, in welche jeweils ein Piezoelement eingefügt wird, welches in den Durchgangslöchern klemmbefestigt wird oder zwischen zwei Schrumpfschlauchabschnitten, welche auf dem Piezoelement angebracht sind, formschlüssig am Träger gehalten wird.

[05] Diese Anordnung hat den Nachteil, dass das Einsetzen und Ausrichten der Piezoelemente innerhalb des flächigen Halters arbeitsaufwendig ist. Außerdem kann die Ausrichtung der Piezoelemente innerhalb des Halters ungenau sein, was es zu vermeiden gilt.

[06] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen elektroakustischen Wandler so auszugestalten, dass die vorgenannten Nachteile vermieden werden.

[07] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen elektroakustischen Wandler mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

[08] Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler weist eine Vielzahl von Piezoelementen auf, die in einem oder mehreren Haltern angeordnet sind, wobei halterseitig Ausnehmungen oder Halteelemente vorgesehen sind, welche jeweils ein Piezoelement formschlüssig umfänglich zumindest abschnittsweise umgeben. Gemäß der Erfindung weist der eine oder weisen die mehreren Halter Haltemittel auf, welche die Piezoelemente an ihren Stirnseiten formschlüssig halten.

[09] Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die Piezoelemente nicht nur umfänglich durch den oder die Halter formschlüssig aufzunehmen sondern darüber hinaus Haltemittel vorzusehen, welche die Piezoelemente an ihren Stirnseiten formschlüssig halten, um auf diese Weise eine definierte Lage in Bezug auf den Halter sicherzustellen und somit eine bestimmungsgemäße Positionierung innerhalb des Wandlers. Dabei ist es besonders günstig, die Haltemittel halterseitig vorzusehen, da dann durch den Halter selbst die Positionierung der Piezoelemente definiert festgelegt ist und piezoelementeseitig insoweit keine weiteren Vorkehrungen zu treffen sind. Für die definierte Anordnung der Piezoelemente ist also ausschließlich der jeweilige Halter verantwortlich, es können somit Piezoelemente ohne jegliche Vorbereitung oder Anpassung in den Halter eingesetzt werden. Es erfolgt dann nach Einsetzen der Piezoelemente in den bzw. in die Halter die elektrische Kontaktierung der Kontakte an den Stirnseiten, beispielsweise durch Verlöten mit entsprechenden Verbindungsdrähten wonach dann der Verguss zu einem selbsttragenden typischerweise (trägerlosen) Wandler erfolgen kann. Der oder die Halter dienen dabei in erster Linie zur Fixierung der Piezoelemente während der Herstellung.

[10] Besonders vorteilhaft ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn die Haltemittel Arme aufweisen, die die Stirnseiten der Piezoelemente vorzugsweise formschlüssig übergreifen. Dabei weist jedes Haltemittel mindestens einen solcher Haltearme auf. Diese Haltearme sind besonders günstig, da sie bei geeigneter schlanker und elastischer Ausbildung das Einsetzen der Piezoelemente in den jeweiligen Halter in einfacher Weise ermöglichen, gleichzeitig jedoch nach diesem Vorgang das jeweilige Piezoelement in allen Richtungen formschlüssig im Halter festlegen, und zwar in einer definierten Position. Diese Haltearme lassen darüber hinaus nicht nur genügend Freiraum beim Einbau, sondern auch beim elektrischen Anschluss, z. B. beim Verlöten der Anschlussdrähte an den Stirnseiten. [1 1 ] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für ein Pie- zoelement jeweils mindestens ein Haltearmpaar vorgesehen, mit einem Arm, der das eine stirnseitige Ende und mit einem anderen Arm, der das andere stirnseitige Ende übergreift. Ein solches Haltearmpaar ist vorteilhaft parallel zur Längsachse eines Piezoelements angeordnet. Wenn der Halter ein im wesentlichen flächiges Element ist, in dem Ausnehmungen vorgesehen sind oder in dem Halteelemente vorgesehen sind, dann verlaufen diese Haltearme vorteilhaft im wesentlichen senkrecht zu dem flächigen Halter bzw. zu den diese bildenden Halteelementen. Vorteilhaft fluchten die Haltearme eines Haltearmpaares zueinander, sie können jedoch auch versetzt zueinander angeordnet sein.

[12] Zumindest einer der Haltearme eines solchen Paares kann auch leicht schräg verlaufen, um das Einsetzen des Piezoelements in den Halter zu erleichtern. Dabei ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zumindest mindestens einer der Haltearme eines Haltearmpaares federelastisch ausgebildet, so dass er zürn Einsetzen des Piezoelements in den Halter seitlich so nach außen ausweichen und gespannt werden kann, dass das Piezoelement frei in die Ausnehmung des Halters bzw. in das Halteelement des Halters in Richtung der Längsachse des Piezoelements einfügbar ist. Dabei wird das Piezoelement so weit vorgeschoben wird, bis die eine Stirnseite des Piezoelements formschlüssig am Ende eines Arms des Haltearmpaares axial anliegt und der andere Haltearm dann nach Einfügen des Piezoelements durch Rückfedern in seine Ursprungslage gelangt, in welchem sein Ende formschlüssig die andere Stirnseite des Piezoelements übergreift und somit das Piezoelement in allen Richtungen formschlüssig im Halter festgelegt ist.

[13] Um ein Piezoelement durch einfaches axiales Einschieben in den Halter zu verbringen und gleichzeitig in diesem formschlüssig festzulegen, ist es vorteilhaft, wenn der federelastisch ausgebildete Haltearm an seinem das stirnseitige Ende des Piezoelementes übergreifenden Teil eine schräge Anlauffläche aufweist. Wenn dann das Piezoelement fluchtend zur Ausnehmung im Halter bzw. zum Halteelement im Halter axial in diesen eingeschoben wird, dann wird durch diese schräge Auflagefläche beim axialen Einschieben der übergreifende Teil des Haltearms federelastisch in Bezug auf die Ausnehmung nach außen verschoben bis das Piezoelement in der bestimmungsgemäßen Position im Halter angeordnet ist, wonach der Haltearm rückfedert und das stirnseitige Ende des Haltearms das Piezoelement übergreift und somit auch in axialer Richtung festlegt. Eine solche Anordnung ist insbesondere für eine maschinelle aber auch für eine einfache manuelle Bestückung vorteilhaft.

[14] Zweckmäßigerweise ist eine Piezoelement mit zwei oder mehr, vorzugsweise drei über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Haltearmpaare im Halter festgelegt. Eine solche Anordnung ermöglicht einerseits ein einfaches axiales Einschieben des piezoelektrischen Elements in den Halter und garantiert andererseits eine passgenaue Fixierung innerhalb des Halters sowie freie Zugänglichkeit der Stirnseiten zum Kontaktieren.

[15] Vorteilhaft ist eine Piezoelement mit einem isolierenden Schlauch, vorzugsweise einem Schrumpfschlauch umfänglich überzogen. Ein solcher isolierender Schlauch erhöht die Durchschlagfestigkeit und kann anders als beim Stand der Technik vor der Montage des Pie- zoelements im Halter am Piezoelement angebracht und fixiert werden.

[16] Vorteilhaft werden Piezoelemente zylindrischer Form eingesetzt, die also einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Es können jedoch auch Piezoelemente mit mehreckigem Querschnitt eingesetzt werden, wobei die Stirnseiten vorzugsweise eben und quer zur Längsachse angeordnet sein sollen.

[17] Der oder die Halter werden vorteilhaft als Kunststoffbauteile ausgebildet. Insbesondere bei der Herstellung kleinerer Stückzahlen ist es vorteilhaft, diese Bauteile im 3D-Druck herzustellen. Unter Halter wird typischerweise ein flächiges Bauelement verstanden, in welchem Ausnehmungen vorgesehen sind, welche zur Aufnahme der Piezoelemente dienen. Alternativ kann der Halter durch eine gitterartige flächige Struktur gebildet sein, wobei die Teile des Gitters, welche ein Piezoelement umgeben, ein Halteelement bilden. An diesem Halteelement sind dann vorteilhaft auch die Haltearme angebracht.

[18] Sowohl montage- als auch anschlusstechnisch ist es vorteilhaft, wenn sich die elektrischen Anschlüsse der Piezoelemente an deren Stirnseiten befinden. Dann ergibt sich auch eine vergleichsweise hohe Durchschlagsfestigkeit sowohl ohne als auch noch verbessert bei Verwendung eines isolierenden Schlauches.

[19] Um den elektroakustischen Wandler fertigzustellen, werden der oder die Halter mit den darin eingegliederten Piezoelementen in einer aushärtenden Masse, vorzugsweise in Kunststoff eingebettet. Der oder die Halter dienen dabei auch zur Positionierung der Piezoelemente zueinander, haben jedoch nach Aushärtung des umgebenden Kunststoffes grundsätzlich keine Tragfunktion mehr. Allerdings können in einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß der Erfindung der oder die Halter in der aushärtenden Masse eine Art Armierung für den Verbundwerkstoff bilden, wodurch die Standzeit des so gebildeten elektroakustischen Wandlers verbessert werden kann. [20] Zum Anbringen der Vergussmasse werden der bzw. die fertig mit Piezoelementen bestückten und verdrahteten in einer Gussform angeordnet, die ebenfalls vorteilhaft im 3D-Druckverfahren gebildet sein kann. Diese Gussform kann entweder nach Aushärten der Masse entfernt werden, aber auch Teil des späteren Wandlers bilden. Zweckmäßigerweise sind Gussform und Halter so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass sie formschlüssig ineinandergreifend in der Position montierbar sind, welche sie nach Aushärten der Masse einnehmen sollen.

[21 ] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines Halters mit darin angeordneten Piezoelementen in Schnittdarstellung,

Fig. 2 die Anordnung des fertig bestücken Halterabschnitts innerhalb des elektroakustischen Wandlers in Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine alternative Anordnung von Haltearmpaaren in vergrößerter Draufsicht und

Fig. 4 eine bevorzugte Ausbildung eines Haltearmpaares am Träger in Darstellung gemäß Figur 1 .

[22] Fig. 2 zeigt einen Abschnitt einer selbsttragenden Wandlerkalotte einer piezoelektrischen Stoßwellenquelle, wie sie beispielsweise in DE 10 2010 055 836 B4 anhand von Fig. 1 oder 5 beschrieben ist. Es handelt sich dabei um einen selbstfokussierenden elektroakustischen Wandler 1 , der aus einer Vielzahl von Piezoelementen 2 aufgebaut ist, die in einem Halter 3 angeordnet und durch eine aushärtende Vergussmasse 4 zu einem selbsttragenden Gebilde verbunden sind. Die Piezoelemente 2 weisen in der dargestellten Ausführung eine zylindrische Form auf, sie sind in Ausnehmungen 5 des im Wesentlichen quer zu den Längsachsen 8 der Piezoelemente 2 ausgebildeten flächigen Halters 3 angeordnet. Der Halter 3 folgt der Kalottenform, so dass alle Piezoelemente 2 in gleichem Abstand zu einem in der Zeichnung nicht sichtbaren Fokus angeordnet sind.

[23] Der Halter 3 dient im Wesentlichen dazu, die Piezoelemente 2 vor dem Umhüllen mit der Vergussmasse 4 an ihrer bestimmungsgemäßen Position zu halten. Die Ausnehmungen 5 sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie die Piezoelemente 2 mit geringem Spiel aufnehmen, so dass diese einerseits gut montierbar sind, andererseits jedoch umfänglich formschlüssig gehalten sind.

[24] Im Bereich der Ausnehmungen 5 weist der Halter 3 Haltemittel auf, und zwar bei der anhand der Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform in Form von Haltearmpaaren 6,6 und Führungsarmpaaren 7,7. Jedes Armpaar 6,6; 7,7 erstreckt sich vom Rande einer Ausnehmung 5 zu einer Seite des flächigen Halters 3 im Wesentlichen in einer Richtung parallel zur Längsachse 8 eines Piezoelementes 2. Dabei erstrecken sich die Führungsarme 7 nur bis nahe zu den Stirnseiten der Piezoelemente 2, ein Führungsarmpaar 7,7 ist somit kürzer als die Erstreckung eines Piezoelements 2 in Richtung seiner Längsachse 8. Die Haltearmpaare 6,6 hingegen erstrecken sich über die Stirnseiten 9 eines Piezoelementes 2 hinaus und übergreifen mit ihren Enden 10 die Stirnseiten eines Piezoelements 2 und legen dieses damit in axialer Richtung formschlüssig am Halter 3 fest. [25] Jeder Haltearm 6 ist an seinem freien Ende so ausgebildet, dass er die Stirnseite 9 des zugehörigen Piezoelements 2 ein Stück überragt und somit das Piezoelement 2 in axialer Richtung formschlüssig hält. Dabei ist ein Haltearm 6 so ausgebildet, dass dieser bezogen auf das zugehörige Piezoelement 2 mit seinem Ende 10 derart radial ausfedern kann, dass ein Piezoelement 2 an diesem Ende 10 vorbeigeführt, durch die Ausnehmung 5 hindurchgesteckt und so weit vorgeschoben werden kann, bis es am Ende 10 des gegenüberliegenden Haltearms 6 anliegt. Dann erfolgt eine selbsttätige durch Federkraft bewirkte Rückstellung des anderen Haltearms 6, so dass das Piezoelement 2 in axialer Richtung durch die beiden Enden 10 des Haltearmpaares 6,6 formschlüssig gehalten ist.

[26] Grundsätzlich genügt die Anordnung eines Haltearmpaares 6,6 an einer Ausnehmung 5 oder einem entsprechenden umfänglichen Halteelement des Halters 3 um eine definierte Position des Piezoelements 2 in Bezug auf den Halter 3 sicherzustellen. Zweckmäßig ist es allerdings zumindest ein Führungsarmpaar 7,7 oder ein weiteres Haltearmpaar 6,6 bereitzustellen.

[27] Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 sind drei Haltearmpaare 6, 6a vorgesehen, die symmetrisch um die Ausnehmung 5 verteilt angeordnet sind und jeweils mit ihren Enden 10 und 10a die Stirnseiten 9 des Piezoelements 2 übergreifen. Diese Konstruktion erlaubt eine sichere Positionierung und gewährleistet darüber hinaus, dass die stirnseitigen Kontakte 1 1 ohne Probleme zugänglich und somit durch Löten mit den Verbindungsdrähten 12 verbunden werden können, die nach Einfügen der Piezoelemente 2 in die Ausnehmungen 5 des Halters 3 zu fertigen sind, bevor die Vergussmasse 4 das Gebilde umschließt. [28] Anhand von Fig. 4 ist ein Haltearmpaar 6, 6a aus Figur 3 in Seitenansicht dargestellt, bei dem an einem (in der Figur 4 oberen Ende) Haltearm 6a das Ende 10a mit einer schräg zur Längsachse des Haltearms 6 verlaufenden Anlauffläche 13 versehen ist, die so angeordnet ist, dass beim Einfuhren eine Piezoelements 2 dieses auf die Anlauffläche 13 auftrifft und bei weiterem Verschieben in Richtung seiner Längsachse 8 diese Anlauffläche 13 radial nach außen drückt, d. h. den Haltearm 6a federnd nach außen beaufschlagt. Es wird somit keine gesonderte Handhabe zum Ausfedern des Haltearms 6a beim Einfügen des Piezoelements 2 benötigt, sondern dies geschieht durch die Vorschubkraft des Piezoelements 2 in Richtung seiner Längsachse 8 selbsttätig, genauso wie dieses Ende 10a nach Durchtritt des Piezoelements 2 wieder ausfedert und damit das Piezoelement 2 formschlüssig zwischen den Enden 10 und 10a gehalten ist.

[29] Um beim Einfügen des Piezoelements in den Halter 3 keine Querkräfte auf das Piezoelement auszuüben ist es vorteilhaft, diese Haltearme 6a mit den Anlaufflächen 13 an ihren Enden 10a punktsymmetrisch um die Achse 8 anzuordnen, so wie dies anhand von Figur 3 dargestellt ist.

Bezugszeichenliste

1 elektroakustischer Wandler

2 Pierzoelemente

3 Halter

4 Vergussmaße

5 Ausnehmungen

6 Haltearm

6a Haltearm mit Anlauffläche

6, 6 Haltearmpaar

7 Führungsarm

7,7 Führungsarmpaar

8 Längsachse von 2

9 Stirnseiten von 2

10 Ende von 6

10a Ende von 6a

1 1 Kontakte

12 Drähte

13 Anlauffläche

Claims

Ansprüche

1. Elektroakustischer Wandler (1 ) mit einer Vielzahl von Piezoelemen- ten (2), die in einem oder mehreren Haltern (3) angeordnet sind, wobei in dem einen Halter (3) oder den mehreren Haltern (3) Ausnehmungen (5) oder Halteelemente vorgesehen sind, welche jeweils ein Piezoelement (2) formschlüssig umfänglich zumindest abschnittsweise umgeben, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Halter (3) Haltemittel aufweisen, welche die Piezoelemente an ihren Stirnseiten formschlüssig halten.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel Haltearme (6, 7) aufweisen, die die Stirnseiten (9) der Piezoelemente (2) vorzugsweise formschlüssig übergreifen.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Piezoelement (2) jeweils mindestens ein Haltearmpaar (6, 6) vorgesehen ist, mit einem Arm (6), der das eine stirnseitige Ende und mit einem anderen Arm (6), der das andere stirnseitige Ende übergreift.

4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Haltearme (6, 6a) eines Haltearmpaares (6, 6)derart federelastisch ausgebildet ist, dass beim Einsetzen eines Piezoelements (2) in den Halter (3) der das stirnseitige Ende übergreifende Teil (10, 10a) des Haltearms (6, 6a) federnd ausschwenkbar ist.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastisch ausgebildete Haltearm (6a) an seinem das stirnseitige Ende des Piezoelementes (2) übergreifenden Teil (10a) eine schräge Anlauffläche (13) aufweist.

6. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezoelement (2) mit zwei oder mehr, vorzugsweise drei Haltearmpaaren (6, 6a) im Halter (3) festgelegt ist.

7. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (2) mit einem isolierenden Schlauch, vorzugsweise einem Schrumpfschlauch umfänglich überzogen sind.

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (2) einen kreisrunden oder mehreckigen Querschnitt und vorzugsweise ebene, quer zur Längsachse (8) angeordnete Stirnseiten (9) aufweisen.

9. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Halter (3) durch vorzugsweise ein Kunststoffbauteil gebildet sind, das im 3D-Druck hergestellt ist.

10. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (2) stirnseitig elektrisch angeschlossen sind. 1. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Halter (3) mit den darin angeordneten Piezoelementen (2) in einer aushärtenden Masse (4), insbesondere Kunststoff eingebettet sind.