DE102008011399A1

DE102008011399A1 - Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element

Info

Publication number: DE102008011399A1
Application number: DE102008011399A
Authority: DE
Inventors: Carsten Heilenkötter; Thomas Niemann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-03
Also published as: JP2009268070A; KR20090092704A

Abstract

Ein Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, das zwei Elektroden aufweist, die jeweils eine elektrische Kontaktierung mit einem zugehörigen elektrischen Anschluß des Ultraschallwandlers aufweisen, wobei mindestens eine Elektrode aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, die großflächig auf dem piezoelektrischen Element aufgebracht ist, zeichnet sich dadurch aus, daß die leitfähige Folie, die die Elektrode ausbildet, und die zugehörige Kontaktleitung zur Kontaktierung des elektrischen Anschlusses einstückig ausgebildet sind. Dadurch wird eine besonders einfache Möglichkeit der Aufbringung der Elektrode und deren Kontaktierung geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, das zwei Elektroden aufweist, die jeweils mit einer zugehörigen elektrischen Schaltung des Ultraschallwandlers elektrisch verbunden sind, wobei mindestens eine Elektroden aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, die großflächig auf dem piezoelektrischen Element aufgebracht ist.
Zur Schallerzeugung und -sensierung werden in Ultraschallwandlern in der Regel piezoelektrische Keramiken bzw. piezoelektrische Elemente eingesetzt. Diese piezoelektrischen Elemente müssen einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, damit sie eine mechanische Bewegung erzeugen. Dazu werden typischerweise zwei gegenüberliegende Seiten mit Elektroden versehen. Diese Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Felds werden meist direkt auf die piezoelektrischen Elemente aufgedruckt oder gesputtert. Danach werden die Elektroden dann elektrisch kontaktiert. Dies erfolgt in der Regel durch dünne Drähte, die an diese Elektroden angelötet werden. Dabei ist die Handhabung und die Lötung dieser dünnen Drähte, die meist einen Durchmesser von weniger als 50 μm haben, sehr schwierig. Erschwerend kommt hinzu, daß das Elektrodenmaterial selbst häufig nur schwer zu löten ist und die Keramik gut wärmeleitend ist, so daß auch die erforderlichen Temperaturen, die für die Lötung erforderlich sind, nur schwer aufgebaut werden können. Durch zu hohe Temperaturen kann auch eine teilweise Depolarisation der Keramik erfolgen, die die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Wandlung negativ beeinflußt.
Ein Ultraschallwandler der eingangs genannten Art ist in der DE 100 18 355 A1 vorgeschlagen worden. Dort ist zur einfacheren Herstellung eines Ultraschallwandlers die Verwendung einer Leiterbahnfolie mit einer geometrischen Struktur beschrieben, wobei die geometrische Verteilung der einzelnen Wandlerelemente des Ultraschallwandlers durch die geometrische Struktur bestimmt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der das Aufbringen einer Elektrode und deren Kontaktierung besonders einfach durchführbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einem Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, das zwei Elektroden aufweist, die durch elektrische Kontakte mit einer zugehörigen Schaltung des Ultraschallsensors verbunden sind, wobei mindestens eine Elektrode aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, die großflächig auf dem piezoelektrischen Element aufgebracht ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die leitfähige Folie, die die Elektrode ausbildet und deren zugehörige elektrische Verbindung einstückig aus einer leitfähigen Folie gebildet sind. Dadurch wird das Aufbringen der Elektrode und deren Kontaktierung zu einem Arbeitsschritt verbunden und vereinfacht. Durch die Kombination von Elektrode und Kontaktierung können zusätzliche Elemente für die Herstellung eines elektrischen Kontaktes entfallen. Da bei der Kontaktierung der Elektrode ein Lötvorgang vermieden werden kann, ist eine Schädigung der Piezokeramik oder des piezoelektrischen Elementes durch Wärme ausgeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Lage der Kontaktierung der Piezokeramik relativ frei gewählt werden.
Bevorzugt ist die leitfähige Folie eine Metallfolie. Hier bietet sich insbesondere Kupfer als Folienmaterial an. Aber auch andere Metalle oder leitfähige Kohlenstofffolien kommen in Betracht. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die leitfähige Folie vollflächig auf einer Seite des piezoelektrischen Elementes aufgebracht. Dadurch wird die gesamte Fläche des piezoelektrischen Elementes gleichmäßig und zuverlässig erfaßt und aufgrund der größeren Abmessung ist die Handhabung auch vergleichsweise vereinfacht. Die leitfähige Folie wird dabei bevorzugt mit dem piezoelektrischen Element verklebt. Die leitfähige Folie ist dabei bevorzugt als eine durchgehende Bahn ausgebildet, die sich in Richtung der Längsachse des piezoelektrischen Elementes, auf der die leitfähige Folie die Elektrode bildet, linear fortsetzt und dabei die elektrische Kontaktierung oder Kontaktleitung bildet, mit der ein entsprechender elektrischer Anschluß in dem Ultraschallwandler hergestellt wird. Alternativ ist die leitfähige Folie bevorzugt aus einer zugeschnitten Folie hergestellt. Eine solche zugeschnittene Folie kann die elektrische Kontaktierung an beliebiger Stelle des piezoelektrischen Elementes ausbilden, also auch in Winkeln von 90° zur Längsachse des piezoelektrischen Elementes. Die Breite der leitfähigen Folie ist dabei im Bereich der Elektrode bevorzugt identisch zu der Breite der leitfähigen Folie im Bereich des elektrischen Anschlusses, also des Bereichs, der über das piezoelektrische Element hinausgeht. Die leitfähige Folie wird dann bevorzugt mit einer Leiterplatte kontaktiert und kann dort geklebt oder gelötet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden sich gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elementes mit einer leitfähigen Folie als Elektrode ausgerüstet, wobei diese jeweils gleichzeitig auch die elektrische Verbindung zu einem Anschluß des Ultraschallwandlers ausbilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles weiter erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein piezoelektrisches Element und dessen Kontaktierung innerhalb eines Ultraschallwandlers.
Das piezoelektrische Element 1 ist in einem hier nicht im Detail dargestellten Ultraschallwandler 2 angeordnet. Zur Erzeugung eines elektrischen Felds sind die beiden gegenüberliegenden Seiten 3, 4 des piezoelektrischen Elementes elektrisch kontaktiert. Das piezoelektrische Element 1 ist innerhalb des Ultraschallwandlers so gehalten, daß es in Schwingungen versetzt werden kann. Typischerweise ist das piezoelektrisches Element 1 in einer Vergußmasse innerhalb des Ultraschallwandlers 2 gehalten. In der Figur ist dargestellt, daß die beiden leitfähigen Folien 5 und 7, die auch als Oberelektrode und Unterelektrode bezeichnet werden, jeweils etwas seitlich versetzt von dem piezoelektrisches Element 1 herausgeführt werden und dann mit nebeneinanderliegenden Kontaktpunkten 6 und 8 elektrisch verbunden sind. Erfindungsgemäß besteht mindestens eine der aufzubringenden Elektroden aus einer leitfähigen Folie 5, die sich über das piezoelektrische Element 1 hinaus erstreckt und gleichzeitig auch eine elektrische Verbindung oder eine Kontaktleitung zu einem elektrischen Anschluß bzw. zu einer elektrischen Schaltung innerhalb des Ultraschallwandlers 2 ausbildet. Hier ist ein Ausschnitt einer Leiterplatte dargestellt, mit der die leitfähige Folie 5 elektrisch kontaktiert, insbesondere verlötet ist. Auf der Seite 4 des piezoelektrischen Elementes 1 ist ebenfalls eine Elektrode vorgesehen, die entweder konventionell oder als leitfähige Folie 7 ausgebildet sein kann. Die leitfähige Folie 7 kann dann ebenso wie die auf der Oberseite 3 angeordnete leitfähige Folie 5 über das piezoelektrische Element 1 hinausragen und zur Kontaktierung an einem beabstandeten Kontaktpunkt 8 verwendet werden. Dabei erfolgt die Kontaktierung der beiden gegenüberliegenden Elektroden über derartige leitfähige Folien bevorzugt zu verschiedenen Seiten des piezoelektrischen Elementes, so daß ein ungewollter elektrischer Kontakt zwischen den leitfähigen Folien ausgeschlossen ist. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Montage so zu gestalten, daß die Berührung der Folien 5 und 7 ausgeschlossen ist. Alternativ kann die leitfähige Folie auch in kritischen Abschnitten mit einem Isolator versehen seien.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10018355 A1 [0003]

Claims

Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, das zwei Elektroden aufweist, die jeweils eine elektrische Kontaktierung mit einem zugehörigen elektrischen Anschluß des Ultraschallwandlers (2) aufweisen, wobei mindestens eine Elektrode aus einer leitfähigen Folie gebildet ist, die großflächig auf dem piezoelektrischen Element aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5, 7), die die Elektrode ausbildet, und die zugehörige Kontaktleitung zur Kontaktierung des elektrischen Anschlusses (6, 8) einstückig ausgebildet sind.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5, 7) eine Metallfolie ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5) vollflächig auf einer Seite (3, 4) des piezoelektrischen Elements (1) aufgebracht ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5) mit dem piezoelektrischen Element (1) verklebt ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5, 7) als Bahn ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5, 7) aus einer zugeschnitten Folie hergestellt ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der leitfähigen Folie (5, 7) im Bereich der Elektrode (3, 4) identisch zur Breite der leitfähigen Folie (5, 7) im Bereich der Kontaktleitung ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Folie (5, 7) mit einer Leiterplatte (6, 8) des Ultraschallwandlers (2) verbunden ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (3, 4) des piezoelektrischen Elements von leitfähigen Folien (5, 7) kontaktiert sind.