本發(fā)明涉及包括壓電元件的換能器。壓電元件包括第一電極和第二電極。連接器被焊接到壓電元件的電極上。本發(fā)明還涉及一種用于制造換能器的方法

背景技術(shù)：

諸如超聲波換能器等的換能器經(jīng)常包括主動振動元件，例如壓電元件的形式。壓電元件一般地被封裝在殼體中，該殼體用作進(jìn)入到介質(zhì)的超聲波窗口，換能器應(yīng)當(dāng)在介質(zhì)中傳送和/或接收壓力波。此外，壓電元件一般地包括一個(gè)或多個(gè)電極層，該電極層直接施加在壓電元件的一個(gè)或多個(gè)表面上。通過接觸這些電極，例如，借助于連接到電極上的導(dǎo)線，而實(shí)現(xiàn)到壓電元件的電接觸。之前，手動地執(zhí)行接觸過程。這是耗時(shí)的并且在電極和接觸導(dǎo)線之間提供了不可靠的電接觸。

us8,136,411b2公開了用于超聲波流量計(jì)的壓電組件。壓電元件包括第一面和第二面。第一電極接合第一面，并且第二電極接合第二面。導(dǎo)電墊片連接器被連接到第一電極，并且第一導(dǎo)線被電連接到墊片連接器。

de102009052814b3公開了超聲波換能器，該換能器包括具有前側(cè)和后側(cè)的壓電元件，各側(cè)被設(shè)置有電極。至少一個(gè)電極沿著壓電元件的使得前側(cè)和后側(cè)互連的表面延伸。電連接元件(導(dǎo)線的形式)被設(shè)置成與電極接觸。

在us8,136,411b2和de102009052814b3中公開的壓電元件不適于自動化制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供一種換能器，該換能器適于在自動化制造過程中被制造。

本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是提供一種換能器，其中以可靠的方式提供電極和連接器之間的電接觸。

本發(fā)明的實(shí)施例的又一目的是提供一種用于以自動化方式制造換能器的方法。

根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種換能器，該換能器包括壓電元件，該壓電元件包括：第一電極，所述第一電極被設(shè)置在壓電元件的第一表面上；第二電極，所述第二電極被設(shè)置在壓電元件的第二表面上，第二表面被設(shè)置成與第一表面相反；以及中間表面，所述中間表面使得第一表面和第二表面互連，

其中，第一電極沿著中間表面的至少一部分朝向第二表面延伸，和/或第二電極沿著中間表面的至少一部分朝向第一表面延伸，

換能器還包括焊接在第一電極的一部分上的第一鏟式連接器，所述第一鏟式連接器具有第一自由連接器端；以及焊接在第二電極的一部分上的第二鏟式連接器，所述第二鏟式連接器具有第二自由連接器端，所述第一自由連接器端和所述第二自由連接器端被設(shè)置在壓電元件的相同側(cè)。

因此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種包括壓電元件的換能器。在本文中，術(shù)語“換能器”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著適于將一種能量形式的信號轉(zhuǎn)換為另一種能量形式的信號的裝置。例如，超聲波換能器適于將聲波轉(zhuǎn)換為電信號。由此，超聲波換能器可以是例如用于超聲波流量測量的超聲波能量計(jì)等。

在本文中，術(shù)語“壓電元件”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著如下的元件：該元件響應(yīng)于施加到元件上的機(jī)械應(yīng)力能夠積累電荷。因此，形成超聲波換能器的一部分的壓電元件能夠響應(yīng)于在設(shè)置超聲波換能器的介質(zhì)中傳播的聲波而積累電荷。

壓電元件包括設(shè)置在壓電元件的第一表面上的第一電極和設(shè)置在壓電元件的第二表面上的第二電極。第二表面設(shè)置成與第一表面相反。因此，第一電極和第二電極也被設(shè)置成彼此相反。例如，第一表面和第二表面可以基本上彼此平行地延伸，其中在此情況下，第一表面和第二表面在它們之間被設(shè)置一距離，該距離沿著所述表面不會改變。

壓電元件還包括使得第一表面和第二表面互連的中間表面。例如，壓電元件可以具有盤形形狀，在此情況下，第一和第二表面形成圓盤的平坦的且相反的側(cè)面，并且中間表面形成設(shè)置在圓盤的平坦的且相反的側(cè)面之間的圓柱形表面。

第一電極沿著中間表面的至少一部分朝向第二表面延伸，和/或第二電極沿著中間表面的至少一部分朝向第一表面延伸。因此，第一電極可以從第一表面延伸到中間表面的一部分上，然而第二電極只被設(shè)置在第二表面上。作為替代方案，第二電極可以從第二表面延伸到中間表面的一部分上，然而第一電極只被設(shè)置在第一表面上。作為另一替代方案，第一電極和第二電極都可以延伸到中間表面上。電極可以整體地延伸到相反表面的邊緣處，或者甚至延伸到相反表面的一部分上。替代地，電極可以只沿著從支承電極的表面到相反表面的路徑的一部分延伸。

當(dāng)電極中的至少一個(gè)延伸到中間表面時(shí)，比較容易接觸到兩個(gè)電極，并且容易在遠(yuǎn)離壓電元件的相同方向上朝向信號處理單元等傳遞來自兩個(gè)電極的電信號。

第一鏟式連接器被焊接在第一電極的一部分上，并且第二鏟式連接器被焊接第二電極的一部分上。在本文中，術(shù)語“鏟式連接器”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著是剛性的且能夠保持形狀的連接器。有利的是，借助于被焊接到電極上的鏟式連接器來建立到電極的電連接。焊接技術(shù)在電極和鏟式連接器之間提供好的電連接。因?yàn)殓P式連接器是剛性的且能夠保持形狀的，所以它們能夠簡單地被定位成靠近電極，并且在執(zhí)行焊接的同時(shí)在不需要其他的支撐的情況下，它們將能夠保持在該位置中，這允許完全自動化地執(zhí)行焊接步驟，并且由此能夠以節(jié)約成本和可靠的方式制造換能器，這明顯地降低了電極和連接器之間的連接失效的風(fēng)險(xiǎn)。此外，鏟式連接器能夠簡單地被供給到自動化生產(chǎn)線中，例如使用帶卷、散裝式供料器等，由此使得本發(fā)明的換能器非常適于在自動化制造過程中被制造。

第一/第二鏟式連接器可以被焊接到第一/第二電極的被設(shè)置在第一/第二表面上的一部分上，被焊接在第一/第二電極的沿著中間表面延伸的一部分上，或者甚至被焊接到第一/第二電極的延伸到第二/第一表面的一部分上。

所述第一鏟式連接器具有第一自由連接器端，并且第二鏟式連接器具有第二自由連接器端。所述第一自由連接器端和所述第二自由連接器端被設(shè)置在壓電元件的相同側(cè)。在本文中，術(shù)語“自由連接器端”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著鏟式連接器的被設(shè)置為與連接到壓電元件的電極的端部相反的端部。鏟式連接器的自由連接器端一般地被連接到信號處理單元等。有利地，第一自由連接器端和第二自由連接器端被設(shè)置在壓電元件的相同側(cè)，因?yàn)檫@使得容易將兩個(gè)自由連接器端連接到被設(shè)置在壓電元件的那一側(cè)的信號處理單元等。

如上所述，第一電極和第二電極可以沿著中間表面的至少一部分延伸。根據(jù)該實(shí)施例，第一鏟式連接器和第二鏟式連接器可以被焊接到相應(yīng)電極的沿著中間表面延伸的一部分上。

第一電極可以延伸到第二表面上和/或第二電極可以延伸到第一表面上。例如，第一電極可以只設(shè)置在第一表面上，然而第二電極可以經(jīng)由中間表面延伸自第二表面并且延伸到第一表面的一部分上。由此，第一鏟式連接器和第二鏟式連接器可以被焊接到相應(yīng)電極的設(shè)置在第一表面上的一部分上。這使得非常便利地經(jīng)由鏟式連接器將兩個(gè)電極連接到相同的信號處理單元等。

因此，第一鏟式連接器可以被焊接在第一電極的被設(shè)置在第一表面上的一部分上，并且第二鏟式連接器可以被焊接第二電極的沿著中間表面設(shè)置的一部分上和/或被焊接在第二電極的被設(shè)置在第一表面上的一部分上。

第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器可以被焊接到第一/第二電極的沿著中間表面設(shè)置的一部分上。如上所述，該實(shí)施例使得便利地經(jīng)由鏟式連接器將兩個(gè)電極連接到相同的信號處理單元等。

第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器沿著至少一個(gè)方向可以是撓性的。根據(jù)本實(shí)施例，第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器能夠吸收壓電元件和/或鏟式連接器的微小移動，由此防止建立在電極和鏟式連接器之間的電接觸被斷開。此種微小移動可以是由壓電元件和/或鏟式連接器由于溫度變化而形成的膨脹和收縮引起的。

例如，第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器沿著基本上垂直于第一表面和/或第二表面的方向可以是撓性的。通常地，鏟式連接器將沿著基本上垂直于第一表面和/或第二表面的方向遠(yuǎn)離壓電元件延伸。因此，根據(jù)該實(shí)施例，第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器在如下的方向上是撓性的，第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器在該方向上在電極和信號處理單元等上的接觸點(diǎn)之間延伸。這是有利的，因?yàn)檫@明顯地降低了由于例如熱膨脹和收縮造成的鏟式連接器和/或壓電元件的微小移動所引起的電極和鏟式連接器之間的電連接斷開的風(fēng)險(xiǎn)。

通過將鏟式連接器設(shè)置為具有固有的彈性，例如通過將鏟式連接器設(shè)置有適當(dāng)?shù)膹澢?，可以獲得鏟式連接器的沿著基本上垂直于壓電元件的第一表面和/或第二表面的方向的撓性。

第一/第二鏟式連接器和第一/第二電極之間的接觸面積可以形成第一/第二鏟式連接器的總表面面積的一小部分。由此，在焊接過程中引入的第一電極和/或第二電極上的熱負(fù)載被限制到第一/第二電極的總面積的一小部分。此外，最小化由焊接材料引入的壓電元件上的振動負(fù)載。

替代地或另外地，第一/第二鏟式連接器和第一/第二電極之間的接觸面積形成第一/第二電極的總表面面積的一小部分。因此，這也將在焊接過程中引入的第一電極和/或第二電極上的熱負(fù)載限制到第一/第二電極的總面積的一小部分。

例如，第一/第二鏟式連接器和第一/第二電極之間的接觸面積形成第一/第二電極的總面積的1％至20％之間，諸如1％至15％之間，諸如2％至10％之間，諸如2％至5％之間，諸如3％至4％之間。

第一鏟式連接器和/或第二鏟式連接器可以是自支撐的。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于制造換能器的方法，所述方法包括如下的步驟：

-提供壓電元件，所述壓電元件包括第一表面，被設(shè)置成與第一表面相反的第二表面以及使得第一表面和第二表面互連的中間表面；

-在第一表面上提供第一電極并且在第二表面上提供第二電極，第一電極和/或第二電極進(jìn)一步沿著中間表面的至少一部分朝向第二/第一表面延伸；

-將第一鏟式連接器定位成靠近第一電極的一部分并且第二鏟式連接器定位成靠近第二電極的一部分，第一鏟式連接器具有第一自由連接器端，所述第二鏟式連接器具有第二自由連接器端，所述第一自由連接器端和所述第二自由連接器端被設(shè)置在壓電元件的相同側(cè)，以及

-將第一鏟式連接器焊接在第一電極的一部分上并且第二鏟式連接器焊接在第二電極的一部分上。

應(yīng)當(dāng)注意，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易意識到結(jié)合本發(fā)明的第一方面描述的任何特征可以與本發(fā)明的第二方面組合，反之亦然。例如，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法可以被用于制造根據(jù)本發(fā)明的第一方面的換能器。上文提及的評論因此在此處同樣適用。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法，首先提供一種壓電元件。如上參考本發(fā)明的第一方面所述，壓電元件包括第一表面、第二表面和中間表面。

接下來，第一電極被設(shè)置在第一表面上，并且第二電極被設(shè)置在第二表面上。此外，第一電極和/或第二電極沿著中間表面的至少一部分朝向第二/第一表面延伸，如上參考本發(fā)明的第一方面所述。

接下來，將第一鏟式連接器定位成靠近第一電極的一部分并且第二鏟式連接器定位成靠近第二電極的一部分。如上所述，第一/第二鏟式連接器可以被設(shè)置成：靠近第一/第二電極的沿著第一/第二表面延伸的一部分，靠近第一/第二電極的沿著中間表面延伸的一部分，或者甚至靠近第一/第二電極的延伸到第二/第一表面的一部分。

如上所述，第一鏟式連接器具有第一自由連接器端，所述第二鏟式連接器具有第二自由連接器端，所述第一和第二鏟式連接器相對于壓電元件被設(shè)置成使得第一自由連接器端和第二自由連接器端被設(shè)置在壓電元件的相同側(cè)。

最后，第一鏟式連接器被焊接在第一電極的一部分上并且第二鏟式連接器被焊接在第二電極的一部分上。

因?yàn)檫B接器是鏟式連接器的形式，在焊接步驟中，在不需要連接器的額外支撐的情況下，它們將保持在靠近第一和第二電極的位置中。這允許以非手動的方式執(zhí)行焊接步驟，這保證了電極和鏟式連接器之間的可靠電連接，并且降低了制造成本。

因此，以自動化方式至少執(zhí)行焊接步驟，由此提供節(jié)約成本的制造方法以及電極和鏟式連接器之間的均一質(zhì)量的可靠電連接。

該方法還可以包括如下的步驟：在定位第一鏟式連接器和第二鏟式連接器的步驟之前，將焊料提供到第一鏟式連接器和第二鏟式連接器上。根據(jù)本實(shí)施例，焊料被直接施加到鏟式連接器上，例如在制造鏟式連接器期間。這允許在受控的條件下施加焊料，并且沒有必要在焊接過程中控制焊料的施加。此外，容易執(zhí)行焊接過程，由此使得焊接過程更加適于自動化。例如，焊料可以被施加到鏟式連接器以作為鏟式連接器的涂層或表面處理的一部分?；蛘撸噶峡梢孕纬芍圃扃P式連接器的合金的一部分。

借助于感應(yīng)加熱可以執(zhí)行焊接步驟。根據(jù)本實(shí)施例，在焊接過程期間，只發(fā)生壓電元件的局部加熱。這降低了破壞壓電元件的晶體的風(fēng)險(xiǎn)。作為替代方案，可以以任何其他適當(dāng)?shù)姆绞綀?zhí)行焊接步驟，例如借助于烤爐，借助于熱壓焊機(jī)，借助于熱電極等。

焊接步驟可以包括將焊料分配到鏟式連接器和/或電極上。根據(jù)本實(shí)施例，在焊接步驟期間，優(yōu)選地自動地且連續(xù)地分配焊料。由此保證了施加均勻量的焊料。

附圖說明

以下將參考附圖更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括兩個(gè)換能器的超聲波流量計(jì)的立體剖視圖，

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的換能器的立體剖視圖，

圖3a-6b是根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的用在換能器中的壓電元件的立體圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了超聲波流量計(jì)1的立體剖視圖。兩個(gè)換能器2被安裝在超聲波流量計(jì)1的上部中，其中壓電元件3的一側(cè)面對在流道4中流動的流體。兩個(gè)反射器5被進(jìn)一步安裝在流道4中。兩個(gè)換能器2發(fā)出超聲波，該超聲波被反射器5反射并且在另一個(gè)換能器2處被接收。當(dāng)從一個(gè)反射器5傳播到另一個(gè)反射器5時(shí)，由換能器2中的一個(gè)發(fā)出的超聲波在流體流動的方向上傳播，并且由換能器2中的另一個(gè)發(fā)出的超聲波在與流體流動的方向相反的方向上傳播。基于由換能器2接收到的超聲波，能夠推導(dǎo)出流體流動的速度。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的換能器2的立體剖視圖。換能器2包括壓電元件3，該壓電元件具有盤形狀，并且具有第一表面和第二表面，第一表面具有被設(shè)置在第一表面上的第一電極6，第二表面具有被設(shè)置在第二表面上的第二電極7。第一表面被設(shè)置成與第二表面相反。壓電元件3還包括中間表面8，該中間表面8使得第一表面和第二表面互連。中間表面8具有大致圓柱形形狀。

第二電極7的一部分7a沿著中間表面8的一部分延伸，并且進(jìn)一步延伸到第一表面上。由此，第二電極7的一小部分被設(shè)置在第一表面上。

第一鏟式連接器9被焊接在第一電極6的被設(shè)置在第一表面上的一部分上。此外，第二鏟式連接器10被焊接第二電極7的被設(shè)置在第一表面上的一部分上。因此，第一鏟式連接器9以及第二鏟式連接器10被焊接在第一表面上，但是第一電極6和第二電極7通過鏟式連接器9、10中的一個(gè)接觸，即，兩個(gè)電極6、7在壓電元件3的相同側(cè)上接觸。

第一鏟式連接器9包括第一自由連接器端11，第二鏟式連接器10包括第二自由連接器端12。第一自由連接器端11和第二自由連接器端12被設(shè)置在壓電元件3的相同側(cè)上。這允許自由連接器端11、12容易被連接到信號處理單元等。

第一鏟式連接器9和第二鏟式連接器10都設(shè)置有彎曲部13、14。彎曲部13、14沿著基本上垂直于壓電元件3的第一表面的方向向鏟式連接器9、10提供撓性。因此，在鏟式連接器9、10執(zhí)行有限的移動的情況下，例如，由于鏟式連接器9、10的熱膨脹和/或收縮，鏟式連接器9、10的固有撓性保證電極6、7以及鏟式連接器9、10之間的電連接不被破壞。

有利地，在電極6、7和信號處理裝置等之間建立電連接的連接器是被焊接在電極6、7上的鏟式連接器9、10的形式，因?yàn)殓P式連接器9、10是剛性的，由此允許鏟式連接器9、10被定位成靠近電極6、7，并且在不需要額外的支撐的情況下在被焊接到電極6、7上的情況下，它們將被保持在該位置中。這允許以自動的方式執(zhí)行焊接步驟，由此降低制造成本。此外，當(dāng)連接器不需要被手動連接時(shí)，保證了電極6、7和鏟式連接器9、10之間的電連接的均一質(zhì)量。

圖3a和3b是從兩個(gè)不同角度觀察到的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用在換能器中的壓電元件3的立體圖。圖3a和3b的壓電元件3與如圖2所示的壓電元件3等同。

壓電元件3包括設(shè)置在壓電元件3的第一表面上的第一電極6，被設(shè)置在壓電元件3的第二表面上的第二電極7。中間表面8使得第一表面和第二表面互連。

從圖3a中可以看出，第二電極7的一部分7a沿著中間表面8的一部分延伸，并且進(jìn)一步延伸到第一表面上。由此，第一電極6必須在第一表面處被接觸，然而第二電極7可以在第二表面、中間表面8或第一表面處被接觸。

從圖3a中可以看出，第一電極6不被設(shè)置在第一表面的設(shè)置有第二電極7的一部分7a的部分中，并且在第一電極6和第二電極7之間存在距離，從而保證電極6、7彼此電隔離。

圖4a和4b是從兩個(gè)不同角度觀察到的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用在換能器中的壓電元件3的立體圖。圖4a和4b的壓電元件3與圖3a和3b的壓電元件3非常類似，因此這里將不具體說明。

在圖4a和4b的壓電元件3中，第二電極7的一部分7a也沿著中間表面8延伸。然而，第二電極7的一部分7a只延伸到第一表面的邊緣，并且不延伸到第一表面上。因此，在此情況下，第二電極7只可以在第二表面、或者中間表面8處被接觸到。

從圖4a中可以看出，第一電極6不被設(shè)置在第一表面的如下部分中：該部分特別靠近第二電極7的沿著中間表面8延伸的部分7a的位置。這是為了保證兩個(gè)電極6、7彼此電隔離。然而，如圖4a和4b所示的第一電極6的面積大于如圖3a和3b所示的第一電極6的面積。

圖5a和5b是從兩個(gè)不同角度觀察到的根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的用在換能器中的壓電元件3的立體圖。圖5a和5b的壓電元件3與圖3a至4b的壓電元件3非常類似，因此這里將不具體說明。

在圖5a和5b的壓電元件3中，第二電極7的一部分7a也沿著中間表面8的一部分延伸。然而，該部分只在到第一表面的路徑的一部分上延伸，從而在第二電極7的部分7a的端部和第一表面的邊緣之間留有間隙。該間隙保證第一電極6和第二電極7之間所需的電隔離。由此，第一電極6能夠被施加到壓電元件3的基本上整個(gè)第一表面，并且第一電極6的面積因此被最大化。

圖6a和6b是從兩個(gè)不同角度觀察到的根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的用在換能器中的壓電元件3的立體圖。圖6a和6b的壓電元件3與圖3a至5b的壓電元件3非常類似，因此這里將不具體說明。

在圖6a和6b的壓電元件3中，第二電極7的一部分7a沿著中間表面8的一部分延伸，與如圖5a和5b所示的方式類似，并且如上所述。此外，第一電極6的一部分6a也沿著中間表面8的一部分延伸。

因此，在圖6a和6b的壓電元件3中，第一電極6可以在第一表面處或者在中間表面8處被接觸到，并且第二電極7可以在第二表面處或中間表面8處被接觸到。

在圖6a和6b中，第一鏟式連接器9被焊接在第一電極6的沿著中間表面8延伸的一部分6a上。類似地，第二鏟式連接器10被焊接在第二電極7的沿著中間表面8延伸的一部分7a上。