DE3020617A1

DE3020617A1 - Elektrische wandlereinheit zum erfassen von mechanischen schwingungen o.a. druckveraenderungen

Info

Publication number: DE3020617A1
Application number: DE19803020617
Authority: DE
Inventors: Judit Dipl.-Ing. Bielcsik; Tamas Budapest Hajos
Original assignee: Medicor Muvek
Current assignee: Medicor Muvek
Priority date: 1980-05-30
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1981-12-10
Also published as: GB2080613A; NL8003229A

Description

HOFFMANN · JSITLE-& PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-I NG. W.EITIE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPU-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 9Π087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

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Medicor Müvek, Budapest / Ungarn

Elektrische Wandlereinheit zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder anderen Druckveränderungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Wandlereinheit zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder anderen Druckveränderungen, mit einer die Druckveränderungen erfassenden Membran und einem mit dieser mechanisch verbundenen piezoelektrischen Wandler. Die erfindungsgemäße elektrische Wandlereinheit kann in piezoelektrischen Wandlern angewendet werden.

Die Verwendung von mit einer Membran verbundenen piezoelektrischen wandlern zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder Druckveränderungen kann heutzutage schon als klassisch angesehen werden, und die erforderliche mechanische Verbindung zwischen der Membran und dem Kristall des piezoelektrischen Wandlers läßt sich auf viele bekannte Weisen verwirklichen. Das Grundprinzip der Funktion der

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Wandlereinheit ist in jedem Fall, daß infolge der auf die Membran ausgeübten Druckveränderung eine Deformation in dem piezoelektrischen Kristall hervorgerufen wird und dadurch eine der Deformation proportionale elektrische Spannung an dem Kristall abgenommen werden kann.

Bei einer bekannten Wandlereinheit ist der Kristall direkt an der Innenfläche der Membran, z.B. durch Verkleben oder durch Löten befestigt. Dazu gibt die HU-PS 160 565 eine ausführliche Lehre. In dieser HU-PS- 160 565 sind die Nachteile der verschiedenen bekannten Lösungen zusammengefaßt. Die dort angegebene Lösung ist ohne Zweifel vorteilhaft, da der Kristall die auf die Membran wirkende gesamte Deformation ohne zusätzlich eingefügte Kopplungselemente aufnimmt, wodurch die Empfindlichkeit und die elektrischen Übertragungseigenschaften des Wandlers nach dieser Lösung besser werden als bei früheren Ausführungen.

Alle auf die Membran wirkenden Kräfte werden infolge des Verklebens oder des Lötens auf den Kristall übertragen. Dieser Effekt, der einerseits vorteilhaft im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften ist, kann aber andererseits nachteilig sein, wenn die Membran der Einwirkung von die bestimmungsgemäßen Kräfte übersteigenden Außenein flüssen ausgesetzt wird. Solche Einwirkungen entstehen, wenn der Wandler zufällig fallengelassen oder an einen harten Gegenstand angeschlagen wird. Der piezoelektrische Wandlerkristall selbst ist eine zerbrechliche, dünne Platte, die unter der Einwirkung solcher Kräfte leicht bersten oder zerbrechen kann.

Außer den obigen Gefahren kann die Qualität der Lötverbindung nur schwer überwacht werden, und die Gefahr einer nachträglichen Zersetzung der Verbindung kann nur bei Anwendung einer sehr sorgfältigen und beherrschten Technolo-

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gie vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Wandlereinheit zu schaffen, die im Hinblick auf die elektrischen Parameter der erwähnten bekannten Konstruktion gleichwertig ist, deren mechanische Stabilität, deren Schutz des Kristalls gegen die äußere Krafteinwirkungen und deren Lebensdauer und Herstellbarkeit aber besser sind. Außerdem soll die erzielte Konstruktion alle der bei der erwähnten bekannten Wandlexeinheit vorhandenen Vorteile aufweisen. Ein solcher Vorteil ist z.B. die gute Abschirmung gegen äußere elektrische Störfelder.

Diese Aufgabe wird mit einer Wandlereinheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran aus flexiblem Kunststoff in Form eines Membrankörpers ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische Wandler im Innern des Membrankörpers angeordnet ist, und daß mindestens eine der Elektroden des piezoelektrischen Wandlers durch den Membrankörper herausgeführt ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe hat die Erkenntnis beigetragen, daß die direkte Verbindung zwischen der Membran und dem piezoelektrischen Wandler auch dann verwirklicht werden kann, wenn der piezoelektrische Wandler in die Membran eingebaut wird. Dazu mußte aber die klassische Ausbildung der Membran, bei der diese als eine dünne, in der Regel metallische Platte ausgeführt war, geändert werden. Nach der Erfindung ist die Membran aus einem flexiblen Kunststoff-Membrankörper ausgebildet, und der piezoelektrische Wandler ist im Innern des Ilembrankörpers angeordnet.

Der Einsatz des Membrankörpers ergibt einen vollen Schutz des Kristalls des piezoelektrischen Wandlers gegen alle

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äußeren mechanischen Einflüsse, wobei die elektrischen Parameter wegen der direkten Verbindung zwischen der Membran und dem Kristall unverändert hochwertig bleiben.

Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der gröi3eren mechanischen Festigkeit des Membrankörpers, da bei den bisher bekannten Lösungen nicht nur der Kristall, sondern auch die aus einer Platte hergestellte Membran selbst leicht beschädigt werden konnte. Die dickere, flexible Membranausbildung kann solchen Krafteinwirkungen besser widerstehen.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist auf der Außenfläche des Membrankörpers eine elektrisch leitende Abschirmschicht aufgetragen.

Für die Herstellung des Membrankörpers ist es von Vorteil, wenn der Membrankörper aus zwei Teilen, aus einem Oberteil und einem Unterteil aufgebaut ist und der piezoelektrische Wandler mit einer Fläche an der Innenwand des Oberteiles abgestützt ist.

Die zweiteilige Ausfuhrungsform ist besonders zweckmäßig, wenn der Oberteil des Membrankörpers mit einem den Wandler von außen begrenzenden Seitenmantel zusammengebaut ist, wobei der Unterteil in einem durch den Seitenmantel begrenzten Innenraum angeordnet ist.

Einer der Elektrodenanschlüsse und die Abschirmschicht können erspart werden, wenn der Oberteil des Membrankörpers aus einem elektrisch leitenden Material besteht.

Der Membrankörper kann vorteilhaft aus Epoxyharz, Polystyrol oder Polypropylen bestehen.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlereinheit;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Wandlereinheit nach Fig. 1, auf deren Außenfläche eine Abschirmschicht aufgetragen ist;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen aus zwei Teilen aufgebauten Membrankörper;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Wandlereinheit mit zweiteiligem Membrankörper, wobei der Oberteil des Membrankörpers gleichzeitig auch ein Teil des Gehäuses des Wandlers ist;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Wandlereinheit nach Fig. 2; und

Fig. 6 einen Schnitt durch eine maßstäbliche Ausführungsform der Wandlereinheit nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Zentralabschnitt der einfachsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlereinheit dargestellt, die aus zwei Konstruktionselementen, aus einem Membrankörper 1 und einem in dessen Innern angebrachten piezoelektrischen Wandler 2 besteht. Der piezoelektrische Wandler 2 ist ein kleines Prisma mit kreisförmigem oder oblongem Boden, auf dessen entgegengesetzten Plattenflächen Elektrodenanschlüsse ausgebildet sind, an denen vorzugsweise durch Löten Ausgangsanschlüsse 3 und 4 angeschlossen sind_t

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Der Membrankörper hat zweckmäßig eine Kreisform und größere Dicke als der piezoelektrische Wandler 2. Die Bedingung für die Funktion ist die Übertragung der auf den Membrankörper 1 ausgeübten mechanischen Einwirkungen (in erster Linie die von der Schwingung der Membran hervorgerufenen Biege- oder Schubspannungen) durch den Membrankörper 1 auf den in ihm befindlichen piezoelektrischen Wandler 2. Der Membrankörper 1 muß daher aus flexiblem Kunststoff ausgeführt werden. Die Anordnung des piezoelektrischen Wandlers 2 im Membrankörper kann auf viele Arten erfolgen, die- einfachste Anordnung des Wandlers 2 erfolgt durch eine gegossene Ausbildung des Membrankörpers 1, da hier während des Gießens und der Härtung keine für den Kristall schädlichen Krafteinwirkungen entstehen.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers nach Fig. 1 ist geeignet für den Ersatz der Membran irgend eines herkömmlichen Wandlers mit demselben Zweck.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig, 1 gezeigten dadurch/ daß auf der Außenfläche des Membrankörpers 1 eine elektrisch leitende Abschirmschicht 5 aufgetragen ist, deren Zweck die totale Abschirmung des Gehäuses des Wandlers gegen äußere elektrische Störfelder ist. Die Abschirmschicht 5 kann mit einem der bekannten Kunststoffmetallisierungsverfahren oder durch einen leitenden Farbauftrag aufgebracht werden.

In Fig. 3 ist der Membrankörper 1 aus zwei Teilen 1a und 1b mit verschiedenen Materialien zusammengesetzt. Der Oberteil 1a ist aus elektrisch leitendem flexiblen Kunststoff hergestellt, wodurch die abschirmschicht 5 entfallen kann. Ferner ist der piezoelektrische Wandler 2 direkt in Kontakt mit dem elektrisch leitenden Oberteil 1a des Membrankörpers 1, wodurch der Ausgangsanschluß 3 überflüssig wird. Die

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obere Elektrodenfläche des Kristalls ist durch eine an dem Oberteil 1a angeschlossene oder mit einem Ende darin eingegossene, eventuell eingepreßte Leitung 6 herausgeführt. Der Unterteil 1b des Membrankörpers 1 ist aus einem flexiblen Isolierkunststoff hergestellt, der auf dem Oberteil 1a gegossen ist. Der Ausgangsanschluß 4 ist an der unteren Elektrodenfläche des Kristalls angeschlossen.

In Fig. 4 ist eine Weiterentwicklung der Ausführungsform nach Fig. 3 dargestellt, wobei der. elektrisch leitende Oberteil 1a des Membrankörpers 1 gleichzeitig als ein Seitenmantel 7 des Gehäuses des Wandlers ausgebildet ist. Der Boden des Gehäuses ist durch eine Endplatte 10 abgeschlossen, und in einem so gebildeten abgeschirmten Innenraum 9 kann ein zu dem Wandler gehörender, an sich bekannter Verstärker 8 angeordnet werden. Der Wandler ist durch eine Leitung 11 kleiner Impedanz an den Verstärker 8 angeschlossen. Im Innern des Gehäuses kann der Ausgangsanschluß 4 direkt an den Eingang des Verstärkers 8 angeschlossen werden. Die andere Leitung ist durch den Körper des Gehäuses mit abgeschirmtem Innenraum 9 gebildet.

In Fig. 5 ist im wesentlichen dieselbe Ausfuhrungsform wie in Fig. 4 gezeigt. Hier ist jedoch der Seitenmantel 7 des Gehäuses getrennt von dem Membrankörper 1 ausgebildet.

Das Gehäuse enthält hier keinen Verstärker. Die Wandlereinheit ist nach Fig. 2 ausgeführt. Die Abschirmschicht 5 des Membrankörpers 1 ist mit dem metallischen Seitenmantel 7 des Gehäuses elektrisch verbunden.

In Fig. 6 ist die Ausführungsform der Wandlereinheit nach Fig. 1 in unverzerrtem Maßstab dargestellt. Der Membrankörper hat in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von vorzugsweise 25 mm und eine Dicke von 1,5 mm. Der Kristall des

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piezoelektrischen Wandlers 2 hat einen Durchmesser von 16 mm und eine Dicke von O₇4 mm. Selbstverständlich können von diesen Werten wesentlich abweichende Abmessungen angewendet werden.

Der Membrankörper 1 kann aus beliebigem Gießharz, aus Polystyrol, Polypropylen oder einem beliebigen, leicht verarbeitbaren, flexiblen Kunststoff hergestellt werden.

Für die Funktion der erfindungsgemäßen Lösung ist es ohne Belang, ob sich der piezoelektrische Wandler 2 nur teilweise oder ganz im Innern des Membrankörpers 1 befindet. Bei einer robusteren Ausführungsform für die Messung grösserer Druckdifferenzen kann die untere Elektrodenfläche des piezoelektrischen Wandlers 2 über den unteren Rand des Membrankörpers 1 hinausreichen.

Bei der erfindungsgemäßen Wandlereinheit durchgeführte Messungen haben gezeigt, daß diese im Hinblick auf die Empfindlichkeit und die elektrischen Übertragungseigenschaften mit den früheren bekannten Lösungen gleichwertig ist.

In Anbetracht der Stabilität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer hat die erfindungsgemäße Lösung wesentliche Vorteile gegenüber den früheren, da der leicht beschädigbare und großen Belastungen ausgesetzte Kristall durch den flexiblen Membrankörper 1 gegen alle mechanischen Einwirkungen geschützt ist. Durch zufälliges Fallenlassen bzw. andere mechanische Beschädigungen der Membranoberfläche kann bei dieser Lösung praktisch kein Kristallbruch oder -bersten entstehen.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung eine elektrische Wandlereinheit zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder

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anderen Druckveränderungen, welche mit einer die Druckveränderungen erfassenden Membran und einem mit dieser mechanisch verbundenen piezoelektrischen Wandler versehen ist. Die Membran ist aus flexiblem Kunststoff und als Membrankörper ausgebildet, wobei der piezoelektrische Wandler im Innern des Membrankörpers angeordnet und mindestens eine der Elektroden des piezoelektrischen Wandlers durch den Membrankörper herausgeführt ist. In dem erfindungsgemäßen Wandler ist der Kristall des piezoelektrischen Wandlers gegen alle mechanischen Einwirkungen geschützt; dadurch hat der Wandler eine lange Lebensdauer, große Stabilität und erhöhte Zuverlässigkeit.

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L e e r s e i t e

Claims

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Elektrische Wandlereinheif zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder anderen Druckveränderungen

Patentansprüche :

1 y Elektrische Wandlereinheit zum Erfassen von mechanischen Schwingungen oder anderen Druckveränderungen, mit einer die DruckVeränderungen erfassenden Membran und einem mit dieser mechanisch verbundenen piezoelektrischen Wandler, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran aus flexiblem Kunststoff in Form eines Membrankörpers (1) ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische Wandler (2) im Innern des Membrankörpers (1) angeordnet ist, und daß mindestens eine der Elektroden des piezoelektrischen Wandlers (2) durch den Membrankörper (1) herausge-'führt ist.
2. Elektrische Wandlereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Außenfläche des Membrankörpers (1) eine elektrisch leitende Abschirmschicht (5) aufgetragen ist.
3, Elektrische Wandlereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Membrankörper (.1) aus zwei Teilen, aus einem Oberteil (1a) und einem Unterteil (1b) aufgebaut ist und der piezoelektri-

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sehe Wandler (2) mit einer Fläche an der Innenwand des Oberteils (1a) abgestützt ist.
4. Elektrische Wandlereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Oberteil (1a) des Menibrankörpers (1) mit einem den Wandler (2) von außen begrenzenden Seitenmantel (7) zusammengebaut ist, und daß der Unterteil (1b) in einem durch den Seitenmantel (7) begrenzten Innenraum (9) angeordnet ist.
5. Elektrische Wandlereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Oberteil (1a) des Membrankörpers (1) aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
6. Elektrische Wandlereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Membrankörper (1) aus Epoxyharz/ Polystyrol oder Polypropylen besteht.

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ORIGINAL INSPECTED