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Dokumentenidentifikation DE10137424A1 24.04.2003
Titel Schwingungswandler
Anmelder Holmberg GmbH & Co KG, 10999 Berlin, DE
Erfinder Birth, Michael, 10969 Berlin, DE;
Badaljan, Petros, 01217 Dresden, DE;
Lupeiko, Timofej, Rostov am Don, RU;
Poljakova, Svetlana, Rostov am Don, RU
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 10719 Berlin
DE-Anmeldedatum 27.07.2001
DE-Aktenzeichen 10137424
Offenlegungstag 24.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.04.2003
IPC-Hauptklasse H04R 17/00
IPC-Nebenklasse H01L 41/083   G01P 15/09   H04R 17/02   
Zusammenfassung Es wird ein Schwingungswandler mit einem zwei Elektroden aufweisenden piezoelektrischen Element, das in einem Gehäuse aufgenommen ist, vorgeschlagen. Das piezoelektrische Element weist einen porösen Keramikkörper auf und ist mit einer Stirnfläche fest mit dem Gehäuseboden verbunden. Die andere Stirnfläche stellt eine für die Schwingungen empfindliche Fläche dar, die nicht vom Gehäuse abgedeckt ist. Das Volumen des Gehäuses ist mit einer Vergußmasse gefüllt, wobei das piezoelektrische Element von der Vergußmasse mechanisch entkoppelt ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schwingungswandler nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Schwingungswandler werden für die unterschiedlichsten Zwecke eingesetzt, sie können in Mikrofonen, insbesondere Kontaktmikrofonen für Zwecke der Nachrichtenübermittlung, in Beschleunigungsaufnehmern, Geräten der Auskultativ-Diagnostik, der seismischen Bodenuntersuchung oder dergleichen, in Sicherheitssignalsystemen und anderen Anlagen Verwendung finden.

Aus der EP 0 515 521 B1 ist ein piezokeramischer Beschleunigungsaufnehmer bekannt, der ein kastenförmiges zweiteiliges Gehäuse aus Glas oder Keramik aufweist, in dem ein Hohlraum ausgebildet ist, wobei zwischen den zwei Teilen des Gehäuses eine piezokeramische Platte befestigt ist, die in den Hohlraum eingreift. Die piezokeramische Platte ist im Randkantenbereich, der zur Befestigung zwischen den Gehäusehälften dient, mit Elektroden versehen, wobei die Gehäusehälften Metallisierungen zur Verbindung der Elektroden mit Kontaktverbindungsstellen zu einer elektrischen Schaltung aufweisen.

Aus der DE 40 29 972 ist ein Ultraschallwandler bekannt, der aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aus einer porösen Piezokeramik mit dazwischengeschalteten Elektroden besteht. Jede Schicht der porösen Piezokeramik wird durch Ziehen einer Kunststofffolie durch ein Vorratsgefäß, das einen mit einem Perlpolymerisat gemischten Keramikschlicker enthält, hergestellt. Das Perlpolymerisat bleibt in der porösen Keramik auch nach Fertigstellung des Ultraschallwandlers eingeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungswandler zu schaffen, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist und bei dem diese hohe Empfindlichkeit besonders in eine Richtung ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß der Schwingungswandler ein piezoelektrisches Element mit einem porösen Keramikkörper umfaßt, das mit einer Stirnseite an dem Boden eines Gehäuses im Wesentlichen starr befestigt wird, wobei die entgegengesetzte Stirnfläche des Piezoelementes die empfindliche Fläche darstellt und nicht vom Gehäuse abgedeckt ist und daß das Volumen des Gehäuses mit einer Vergußmasse gefüllt ist, wobei das piezoelektrische Element von der Vergußmasse mechanisch entkoppelt ist, wird eine hohe Empfindlichkeit des Schwingungswandlers für Schwingungssignale mit einem guten Signal/Rauschabstand erzielt und durch die mechanische Entkopplung wird sein Amplitudenfrequenzgang verbessert, wobei aufgrund der starren Verbindung des porösen Keramikkörpers mit dem Gehäuseboden und aufgrund der umgebenden Vergußmasse die Empfindlichkeit gerichtet ist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Vorteilhaft ist, daß der Keramikkörper offene Poren ohne Füllstoff aufweist und an seiner nicht von den Elektroden bedeckten Oberfläche mit einer elastischen Beschichtung überdeckt wird, da durch diese Maßnahmen die volumetrische Empfindlichkeit des Piezoelementes wesentlich erhöht wird und die mechanische Festigkeit des Keramikkörpers verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Keramikkörper auf seiner gesamten Oberfläche hermetisch abgedichtet ist.

Weiterhin vorteilhaft ist, daß das Gehäuse auf einem Rahmen aus schwingungsabsorbierendem Material aufgesetzt und mit diesem verbunden ist, d. h. elastisch und schwingungsdämpfend gelagert ist, da somit die Empfindlichkeit des Wandlers gegen Fremdschwingungen unter Beibehaltung der hohen Empfindlichkeit bezüglich der von der Vorderseite auftreffenden Schwingungssignale stark verringert wird, wobei diese Wirkung noch weiter verbessert wird, wenn der Rahmen aus einer das Gehäuse umgebenden Hülse und einer Bodenplatte besteht, wobei zwischen Hülse und Gehäuse und Bodenplatte und Gehäuse ein Zwischenraum, ausgefüllt mit einem schwingungsdämpfenden oder schwingungsabsorbierenden Medium vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Schwingungswandler nach einem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungswandlers.

Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Schwingungswandler weist ein in einem Gehäuse 1 aufgenommenes piezoelektrisches Element 2 auf, wobei das piezoelektrische Element 2 von einer das Gehäuse 1 ausfüllenden Vergußmasse 5 umgeben wird. Das Gehäuse 1 ist z. B. topfförmig ausgebildet und ist nach einer Seite, in der Fig. 1 nach oben offen, wobei das piezoelektrische Element 2 etwas über das Niveau der Vergußmasse hinausragt und die empfindliche Sensorfläche des Piezoelementes 2 darstellt. Das Gehäuse 1, d. h. das Piezoelement 2 und die Vergußmasse 5 sind mit einer Abschirmfolie 6, bestehend aus Metallfolie oder feinem Drahtgewebe oder metallisierter Kunststofffolie oder elektrisch leitendem Polymer abgedeckt. Das Gehäuse weist einen flanschartigen Rand auf, der von einem gebördelten Ring 7 umgeben ist, wobei der Ring 7 die Abschirmfolie 6 und den Rand des Gehäuses 1 übergreift.

Das piezoelektrische Element 2 besteht aus einem Keramikkörper 8, der vorzugsweise offene, d. h. kommunizierende Poren einschließt, wobei diese Poren mit Luft oder einem Gas gefüllt sind. Durch die Verwendung von offenen Poren wird die volumetrische Empfindlichkeit des piezoelektrischen Elementes gegenüber einem Keramikkörper mit geschlossenen Poren oder einem porösen Keramikkörper, der mit Füllstoff gefüllt ist, erhöht. Selbstverständlich können aber auch solche Keramikkörper, d. h. solche mit geschlossenen Poren oder mit Füllstoff versehene, verwendet werden.

Weiterhin ist das Piezoelement 2 mit Elektroden 19 zur elektrischen Signalweiterleitung versehen. Die Elektroden 19 sind mit einer Impedanzwandlerschaltung 20 verbunden, durch die die entsprechende elektrische Anpassung realisiert wird. Die obere Elektrode 19 ist über eine Verbindung 16 mit der Abschirmfolie 8 verbunden, während die untere Elektrode 19 über die Leitung 17 mit der Impedanzwandlerschaltung 20 verbunden ist. Ein Anschlußkabel 18 führt nach außen.

Der poröse Keramikkörper 8 ist zur mechanischen Stabilisierung mit einer elastischen Beschichtung 9 versehen, die den Keramikkörper 8 auf seiner gesamten Oberfläche hermetisch umgibt. Die elastische Beschichtung 9 besteht vorzugsweise aus einem Polymer, wie einem Polyurethan, einem Siliconkautschuk oder einem synthetischen Isoprenkautschuk oder dergleichen.

Bei der Herstellung des Schwingungswandlers nach Fig. 1 wird der mit der elastischen Polymerbeschichtung 9 versehene poröse Keramikkörper 8 mit einer Stirnseite über eine starre Verbindung 3, z. B. einer Klebeschicht am Gehäuseboden befestigt. Der mit der elastischen Beschichtung 9 versehene Keramikkörper wird von einer locker mit ihm verbundenen Hülle 4 umgeben, die beispielsweise als Siliconschlauch ausgebildet ist, und anschließend wird das Gehäuse mit einer Vergußmasse, mit einem Epoxidharz oder einem anderen schwach elastischen Kompound aufgefüllt. Dabei trennt die Hülle 4 den Piezoelement 2 von der Vergußmasse 5 und bildet die mechanische Entkopplung. Die mit den Elektroden verbundene Impedanzwandlerschaltung wird mit eingegossen, und wird von der Vergußmasse 5 umgeben.

Als Ergebnis einer solchen Anordnung nach Fig. 1 wird erreicht, daß die Rückseite des Keramikkörpers mit der trägen Masse des Gehäuses 1 maximal "belastet" und seine Vorderseite maximal "entlastet" wird, was die Empfindlichkeit des Schwingungswandlers auf seiner Vorderseite erhöht und gleichzeitig seine Empfindlichkeit auf der Rückseite herabsetzt. Die Verwendung der Schutzhülle 4 für die Mantelfläche bzw. Seitenfläche des Piezoelementes 2 gestattet es außerdem, ohne Einbußen an Wandlerempfindlichkeit für das Vergießen des Gehäuses ein schwach elastisches Kompound einzusetzen, was es möglich macht, die Eigenresonanz des Wandlers in die höherfrequenten Bereiche zu verschieben und damit seinen Amplitudenfrequenzgang im Niederfrequenzbereich zu verbessern.

Ein solcher Wandler kann, wie schon ausgeführt, als Kontakt- oder Körperschallmikrofon verwendet werden, wobei dann nur die über die Frontseite des Gehäuses 1 herausragende Stirnfläche des Piezoelementes 2 mit der Oberfläche einer Signalquelle Kontakt hat.

Ein Beispiel eines in Fig. 1 dargestellten Wandlers weist eine Höhe von 5,8 mm und einen Durchmesser von 21,5/18,0 mm und ein Gewicht von 7 g auf, wobei die Empfindlichkeit der Vorderseite 107 mV/m.s-2 beträgt und der Amplitudenfrequenzganges im Frequenzbereich von 50-5000 Hz innerhalb eines 3 dB Toleranzschlauches verläuft sind und das Verhältnis der Empfindlichkeit seiner Vorder- zur Rückseite einen Wert von 21 dB aufweist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Wandler mit 10 bezeichnet ist und den Aufbau entsprechend Fig. 1 aufweisen kann.

Wie zu erkennen ist, wird das Gehäuse 1 über seinen Rand 13 von einer zylinderförmigen Hülse 11 aus elastischem schallabsorbierenden Material abgestützt, die das Gehäuse 1 umfangsmäßig umgibt. Weiterhin ist eine wiederum topfförmige Abdeckkappe 12 vorgesehen, in die das Gehäuse 1 mit Zylinder 11 eingesetzt ist, wobei der Zylinder 11 aus schalldämmendem Material über Verbindungsstellen 14 einerseits mit dem flanschartigen Rand 13 und andererseits mit dem Boden der Abdeckkappe 12 verbunden ist. Dabei ist zwischen dem Boden des Gehäuses 1 und dem Boden der Patrone 12 ein Zwischenraum 15 vorgesehen, der mit einem schwingungsabsorbierenden Medium ausgefüllt ist. Dies kann Luft, Vakuum, Flüssigkeit oder anderes sein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Abdeckkappe verwendet, es können auch andere Konstruktionen vorgesehen werden, um den Schwingungswandler 10 gegen Fremdschwingungen unempfindlich zu machen, wobei jedoch der Grundgedanke der elastischen schallabsorbierenden Aufhängung des Wandlers und des Zwischenraums in der Art eines doppelten Bodens bestehen bleibt.

Aufgrund der Anordnung wird eine starke Verminderung oder sogar eine für bestimmte Frequenzen praktisch vollständige Unterdrückung der Empfindlichkeit des Wandlers gegen Fremdschwingung unter Beibehaltung der hohen Empfindlichkeit für auf ihn von der Vorderseite auftreffende Schwingungssignale bei minimaler Vergrößerung der Wandlerdicke erzielt. Die das Gehäuse des Wandlers umgebende Hülse aus elastischem schalldämpfenden Material, die als Zylinder ausgebildet sein kann, ist mit einer Seite an der Vorderseite des Gehäuses und mit der anderen Seite am Boden der auf den Wandler aufgesteckten Abdeckkappe, oder auch nur an einer Außenscheibe befestigt. Dabei wird zwischen dem Gehäuse des Wandlers und der Scheibe oder zwischen Gehäuse und Boden der Abdeckkappe ein Zwischenraum in der Art eines doppelten Bodens gebildet, der entweder mit einem Gas, einem Vakuum, einer Flüssigkeit oder einem anderen schwingungsabsorbierenden Medium aufgefüllt werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwingungswandler mit einem zwei Elektroden aufweisenden piezoelektrischen Element, das in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2), das einen porösen Keramikkörper (8) umfaßt, mit einer Stirnfläche fest mit dem Gehäuseboden verbunden ist und die andere Stirnfläche eine für die Schwingungen empfindliche Fläche darstellt, die nicht vom Gehäuse (1) abgedeckt ist, und daß das Volumen des Gehäuses (1) mit einer Vergußmasse (5) gefüllt ist, wobei das piezoelektrische Element (2) von der Vergußmasse (5) mechanisch entkoppelt ist.
  2. 2. Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Umfangsfläche des Piezoelementes (2) eine locker mit ihm verbundene Hülle (4) als mechanische Entkopplung aufweist.
  3. 3. Schwingungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle die Vergußmasse (5) vom Piezoelement (2) trennt.
  4. 4. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des Piezoelementes (2) mit einer Impedanzwandlerschaltung verbunden sind, die in die Vergußmasse (5) eingegossen ist.
  5. 5. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Keramikkörper (8) zumindest an seiner nicht von den Elektroden bedeckten Oberfläche, vorzugsweise auf seiner gesamten Oberfläche, mit einer elastischen Beschichtung (9) überdeckt ist.
  6. 6. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (8) offene Poren ohne Füllstoff aufweist.
  7. 7. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) elektrisch abgeschirmt ist.
  8. 8. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Stirnfläche des Piezoelementes (2) über das Gehäuse (1) hinausragt.
  9. 9. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Stirnfläche von einer Metallfolie oder einem Drahtgewebe oder einer metallisierten Kunststofffolie oder einem elektrische leitenden Elastomer überzogen ist.
  10. 10. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse (5) ein schwach elastisches Material, wie z. B. Epoxidharz ist.
  11. 11. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) auf einen Rahmen (11, 12) aus schwingungsabsorbierendem Material aufgesetzt und mit diesem verbunden ist.
  12. 12. Schwingungswandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen eine das Gehäuse (1) zumindest teilweise umgebende Hülse (11) und eine Bodenplatte aufweist, wobei zwischen Hülse (11) und Gehäuse (1) und Bodenplatte und Gehäuse (1) ein Zwischenraum (15) vorgesehen ist, der mit einem schwingungsdämpfenden Medium gefüllt ist.
  13. 13. Schwingungswandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (11) an einem Flansch (13) des Gehäuses (1) befestigt ist und die Bodenplatte Bestandteil einer das Gehäuse (1) umgebenden Abdeckkappe (12) ist.
  14. 14. Schwingungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verwendung als Körperschall- oder Kontaktmikrofon, als Beschleunigungsaufnehmer oder dergleichen.






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