DE102012201884A1

DE102012201884A1 - Schallwandler

Info

Publication number: DE102012201884A1
Application number: DE102012201884A
Authority: DE
Inventors: David Bartylla; Matthias Karl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-14
Also published as: WO2013117437A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler (10) umfassend eine Membran (12) und mindestens ein Piezoelement (14), wobei die Schwingungsebene des Piezoelements (14) im Wesentlichen parallel zur schwingenden Fläche (13) der Membran (12) angeordnet ist, die Membran (12) im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements (14) schwingt und die schwingende Fläche (13) der Membran (12) größer ist als die Fläche des Piezoelements (14), wobei das Piezoelement (14) an seinen Randbereichen (17) auf der der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement (14) auf die Membran (12) übertragen werden, wobei an die der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche des Piezoelements (14) mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement (14), die schwingende Fläche (13) der Membran (12) und die Verbindung zwischen Piezoelement (14) und Membran (12) gebildet wird, oder zwischen dem Piezoelement (14) und der Membran (12) eine Folie (16) angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements (14) die Membran (12) nicht berühren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Schallwandler umfassend eine Membran und mindestens ein Piezoelement, wobei die Schwingungsebene des Piezoelements parallel zur Membran angeordnet ist, die Membran senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements schwingt und die schwingende Fläche der Membran größer ist als die Fläche des Piezoelements.
Schallwandler kommen beispielweise in Ultraschallsensoren zum Einsatz, mit denen sich der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und einem reflektierenden Objekt messen lässt. Der Schallwandler dient darin als Sender und/oder Empfänger, wobei in einem ersten Schritt ein Ultraschallpuls abgestrahlt wird. Trifft der Ultraschallpuls auf ein reflektierendes Objekt, wird ein Ultraschallecho erzeugt, welches über den Schallwandler wieder detektiert werden kann. Aus der Zeit, die zwischen Aussenden des Ultraschallpulses und Detektieren des Ultraschallechos vergangen ist, sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit, kann die Entfernung zum reflektierenden Objekt berechnet werden.
Eingesetzt werden die Ultraschallsensoren beispielsweise in Fahrassistenzsystemen zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeugs bei Fahrmanövern. Dabei wird beispielsweise bei einem Einparkvorgang mit Hilfe eines oder mehrerer Ultraschallsensoren der Nahbereich des Fahrzeugs abgetastet. Für den Einsatz der Ultraschallsensoren in weiteren Assistenzsystemen sind Abstandsmessungen von Objekten in einer Entfernung von mehreren Metern erforderlich. Da die Amplitude der Ultraschallpulse mit der Entfernung abnimmt, müssen die Schallwandler für Abstandsmessungen weit entfernter Objekte einen möglichst großen Schalldruck erzeugen. Gleichzeitig sollen die Schallwandler breitbandig sein, das heißt der Schallwandler soll in der Lage sein, über einen großen Frequenzbereich Schall zu erzeugen und wieder detektieren zu können. Die Breitbandigkeit ist erforderlich, um auch im Falle sich bewegender Objekte und/oder eines sich zusammen mit dem Fahrzeug bewegenden Ultraschallsensors zuverlässig messen zu können, da sich durch die Bewegung die Frequenz des empfangenen Ultraschallechos aufgrund des Dopplereffekts verschiebt.
Des Weiteren müssen die in Ultraschallsensoren für Fahrzeuge verwendeten Schallwandler hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität gerecht werden. Insbesondere bei Ultraschallsensoren, die in der Front eines Fahrzeugs angeordnet sind, können durch fliegende Steinchen oder andere Partikel die Schallwandler stark beansprucht werden. Dabei dürfen die darin enthaltenen Piezoelemente, die im Wesentlichen aus einer Keramik bestehen, nicht beschädigt werden. Ein Zerbrechen des Piezoelements würde zum Totalausfall des Bauteils führen.
Aus der DE 197 50 179 A1 ist ein Schallwandler bekannt, der eine Membran aus einem Epoxid-Hohlglaskugel-Gemisch und eine piezokeramische Scheibe umfasst. Die mechanische Verbindung von Keramikscheibe und Membran wird durch eine dünne, harte Klebeschicht realisiert, um Scherkräfte übertragen zu können. Dabei wird eine Querkontraktion der piezokeramischen Scheibe in eine Dickenschwingung der Membran umgesetzt.
Aus DE 20 2007 007 135 U1 ist ein piezoelektrischer Ultraschallwandler bekannt. Das piezoelektrische Wandlerelement ist dabei in einem topfförmigen Gehäuse untergebracht. Der Boden des Gehäuses wirkt als schallabstrahlende Membran. Das piezoelektrische Wandlerelement berührt den Boden bzw. die Membran dabei nicht, sondern ist mit den Wänden des topfförmigen Gehäuses verbunden. Die Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und der Topfinnenwand wird über einen hochtemperaturfesten Kleber hergestellt.
DE 196 20 133 A1 offenbart einen Ultraschallsensor mit piezoelektrischem Wandlerelement. Der Sensor weist eine Deckplatte auf, die durch das Wandlerelement zum Schwingen angeregt wird. Die Deckplatte umfasst konzentrische Stege, mit denen eine Scheibe, die als Membran wirkt, auf dem piezoelektrischen Wandlerelement befestigt wird. Die Hohlräume zwischen dem Wandlerelement und der Membran können mit einem nicht-leitenden Elastomer aufgefüllt sein. Das Abstrahlverhalten und die Resonanzfrequenz der Membran werden durch die Anordnung der Stege eingestellt.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass keine der bekannten Sensoranordnungen einen hohen Schalldruck bei gleichzeitiger Breitbandigkeit erzeugen kann. Zudem grenzen bei den bekannten Sensoranordnungen die piezoelektrischen Wandler direkt an die Membran oder an das Gehäuse an, so dass äußere Einwirkungen, wie Steinschläge, die aus einer Keramik bestehenden Piezoelemente schädigen können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Schallwandler umfassend eine Membran und mindestens ein Piezoelement vorgeschlagen, wobei die Schwingungsebene des Piezoelements im Wesentlichen parallel zur Membran angeordnet ist, die Membran im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements schwingt und die schwingende Fläche der Membran größer ist als die Fläche des Piezoelements, wobei das Piezoelement an seinen Randbereichen auf der der schwingenden Fläche der Membran zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche der Membran verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement auf die Membran übertragen werden, und wobei an die der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement, die schwingende Fläche der Membran und den Verbindungen zwischen Piezoelement und Membran begrenzt wird, oder zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran eine Folie angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements die Membran nicht berühren.
Hierbei bezeichnet im Wesentlichen Abweichungen der Schwingungsebene des Piezoelements von einer Ausrichtung parallel zur Membran beziehungsweise Abweichungen der Schwingungen der Membran von einer Ausrichtung senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements, die im Bereich von bis zu ±30° zur parallelen beziehungsweise senkrechten Ausrichtung liegen können. Derartige Abweichungen können unbeabsichtigt, beispielsweise durch produktionsbedingte Ungenauigkeiten, entstehen oder beabsichtigt, beispielsweise zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik, vorgesehen werden oder durch eine Kombination hieraus bedingt sein.
Zur Abstrahlung von Schall muss die Membran durch das Piezoelement in Schwingung versetzt werden. Dabei führt das Piezoelement Schwingungen entlang einer Ebene aus, die im Wesentlichen parallel zur Membran liegt. Zur Umsetzung dieser Bewegung in eine Dickenschwingung, das heißt eine Schwingung im Wesentlichen entlang der Flächennormalen der Membran, muss sich die Membran wölben.
Hierbei kann die Verbindung zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran zumindest teilweise entlang der Randbereiche des Piezoelementes ausgeführt sein, beispielsweise sequentiell. Bevorzugt ist die Verbindung im Wesentlichen entlang der gesamten Randbereiche des Piezoelementes ausgeführt. Wäre das Piezoelement mit der Membran vollflächig verbunden, würde der Gesamtverbund aus Membran und Piezoelement eine höhere Steifigkeit als die Membran alleine aufweisen. Die Schwingungsamplitude der Membran wäre geringer und damit auch der erzeugte Schalldruck. Des Weiteren würde ein Verbund aus Membran und Piezoelement eine größere Masse als die Membran alleine besitzen. Bei gleicher Schwingungsamplitude muss für den Verbund aus Membran und Piezoelement mehr Energie aufgewendet werden als für die Membran alleine. Durch das Vorsehen der Verbindung zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran an den Randbereichen des Piezoelements wird zum einen eine Übertragung der durch die Schwingung des Piezoelements entstehenden Schubspannungen auf die schwingende Fläche der Membran sichergestellt, zum anderen muss das Piezoelement nicht jede Verformung der Membran mitmachen. Der zwischen der der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements und der Membran eingeschlossene Raum bzw. die Folie zwischen der Membran und dem Piezoelement tragen dazu bei, dass sich die Membran weitestgehend ungehindert verformen kann.
Das Vermeiden einer vollflächigen Verbindung zwischen der Membran und dem Piezoelement wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Steinschlagfestigkeit des Schallwandlers aus. Eine punktförmige Belastung, wie durch einen fliegenden Stein, führt zwar weiterhin zu einer starken Verformung und eventuell einer lokalen Beschädigung der Membran, das Piezoelement ist jedoch nicht auf der gesamten Fläche fest mit der Membran verklebt. Der Raum beziehungsweise die Folie zwischen Membran und Piezoelement können so die Verformung aufnehmen, ohne dass Kräfte auf das Piezoelement einwirken und dieses beschädigen können.
Die verwendete Membran des Schallwandlers kann je nach Ausführungsform flach oder gebogen sein. Eine Biegung der Membran kann beispielsweise als Wölbung einer im Wesentlichen flachen Membran ausgeführt sein oder die Membran kann topfförmig ausgeformt sein. Auch ist es denkbar, mehrere Formen zu kombinieren, so dass eine topfförmige Membran mit einem flachen Bereich oder mit einem gewölbten Bereich denkbar ist. Die Form der Membran beeinflusst die Schallabstrahlung und die Richtcharakteristik des Schallwandlers und kann je nach Anwendung angepasst werden. Beispielsweise resultiert eine rotationssymmetrische Form in einer homogeneren Richtcharakteristik als Formgebungen der Membran, die rechteckige, quadratische oder beliebige polygonale Formen umfassen. Das Piezoelement weist eine geringere Fläche als die Membran auf, wobei die Formgebung des Piezoelements bevorzugt an der Form der schwingenden Fläche der Membran orientiert ist. Des Weiteren sind wiederum neben rotationssymmetrischen Formen weitere Gestaltungen, wie rechteckige, quadratische, elliptische oder polygonale Formen, möglich. So ist es beispielsweise bevorzugt bei einer runden schwingenden Fläche der Membran auch ein rundes Piezoelement zu verwenden. In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schallwandlers kann beispielsweise bei einer runden Membran auch ein rechteckiges Piezoelement verwendet werden.
Die Verbindung zwischen den Randbereichen des Piezoelements und der schwingenden Fläche der Membran erfolgt bevorzugt durch Kleben. Dabei ist der Klebstoff vorzugsweise so beschaffen, dass eine Dehnung des Piezoelementes nicht in einer Deformation des Klebstoffes übergeht, sondern über die Verbindung in den Randbereichen des Piezoelementes eine Deformation der Membran bewirkt. Neben Kleben sind auch Klemmverbindungen zwischen den Randbereichen des Piezoelements und der schwingenden Fläche der Membran denkbar.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers wird die Verbindung zwischen der Membran und dem Piezoelement durch Verkleben des Rands des Piezoelements mit an der Membran angeordneten Stegen hergestellt. Dabei kann durch die Länge der Stege, auf die das Piezoelement geklebt wird, das Verhältnis von Kraft und Auslenkung festgelegt werden. Je kürzer die Stege ausgeführt werden, desto größer ist das Übersetzungsverhältnis von der Auslenkung der Membran zur Auslenkung des Piezoelements. Dadurch steigt aber auch die vom Piezoelement aufzuwendende Kraft und damit die Spannungen in dem Piezoelement. Zwischen den Stegen, dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran befindet sich ein Hohlraum. Zur Dämpfung von Nachschwingungen der Membran, so dass diese nach dem Beenden einer Anregung durch das Piezoelement schneller zur Ruhe kommt, wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers dieser Hohlraum mit einem elastischen Material zur Dämpfung der Membran ausgefüllt.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers ist zwischen der Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet. Die Kraftübertragung vom Piezoelement auf die schwingende Fläche der Membran wird durch Verklebungen zwischen dem Piezoelement und der Folie sowie zwischen der Folie und der Membran im Randbereich des Piezoelements sichergestellt. Die verwendete Folie weist dabei bevorzugt eine hohe Schubsteifigkeit auf, so dass über die Folie eine Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die Membran erfolgen kann.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Schallwandlers ist zwischen der Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet, wobei die Abmessungen der Folie kleiner als die des Piezoelements sind und die nicht von der Folie abgedeckten Bereiche des Piezoelements mit der Membran verklebt sind. Die Folie wirkt in dieser Ausführungsform als Abstandshalter und verhindert, dass überschüssiger Klebstoff außerhalb des Randbereichs des Piezoelements zu einer ungewollten Verbindung zwischen der Membran und dem Piezoelement führt. Bevorzugt wird dabei ein Klebstoff verwendet, der nach dem Aushärten ein großes Schubmodul aufweist, so dass eine Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die schwingende Fläche der Membran erfolgen kann.
In Ausführungsformen des Schallwandlers, bei denen ein definiertes Aufliegen der Piezokeramik auf der Membran sichergestellt werden muss, kann eine zwischen Membran und Piezoelement angeordnete Folie in der Mitte mit jeweils einem Klebepunkt mit der Membran und dem Piezoelement verklebt werden.
Als weitere Variante ist es denkbar, wenn eine Folie mit geringeren Abmessungen als das Piezoelement eingesetzt wird, diese schubweich auszuführen. Eine schubweiche Folie verformt sich beim Auftreten von Schubkräften, so dass keine bzw. keine nennenswerte Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die Membran über die schubweiche Folie erfolgt. In dieser Variante ist es möglich, die Folie mit der geringen Schubsteifigkeit flächig mit dem Piezoelement und der Membran zu verkleben.
Für eine optimale Umsetzung der Schwingung des Piezoelements in eine Dickenschwingung der Membran kann die Verbindung zwischen der schwingenden Fläche der Membran und dem Piezoelement in der Nähe des Rands der schwingenden Fläche der Membran angeordnet sein. Da die Einfassung der Membran in der Regel eine hohe Steifigkeit aufweist und wenig zur Erzeugung des Schalldrucks beiträgt, ist es bevorzugt, zwischen dem Rand der schwingenden Fläche der Membran und der Stelle der Membran, an der diese mit dem Piezoelement verbunden ist, eine Sicke anzuordnen. Dadurch wird vermieden, dass bei der Schwingungsanregung der Membran gegen deren Einfassung angearbeitet wird und Energie ungenutzt verloren geht. Alternativ kann es bei hohen Resonanzfrequenzen zwischen 20 KHz und 100 kHz, bevorzugt mehr als 40 kHz, beispielsweise 50 kHz, vorteilhaft sein, den Rand der schwingenden Fläche der Membran ohne Sicke oder mit einer Verdickung auszuführen
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sicke durch Reduzierung der Materialstärke an der schwingenden Fläche der Membran ausgebildet. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Sicke sind beispielsweise Wölbungen oder Vertiefungen an der schwingenden Fläche der Membran. In analoger Weise kann die mindestens eine Verdickung durch Erhöhen der Materialstärke der Membran ausgebildet kann.
Die Membran des erfindungsgemäßen Schallwandlers kann aus einem Metall, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff, etwa einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, gefertigt sein. Bevorzugt ist die Membran aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt.
Das Piezoelement umfasst bevorzugt eine piezoelektrische Keramik, wobei gegebenenfalls mehrere Schichten zu einem Piezostapel angeordnet werden können.
Zur Dämpfung des Schallwandlers kann in dem Bereich unterhalb des Piezoelements sowie in dem Bereich zwischen dem Piezoelement und dem Rand des Gehäuses ein Dämpfungsmaterial angeordnet werden. Als Dämpfungsmaterial wird bevorzugt ein nichtleitendes Elastomer eingesetzt. Durch die zusätzliche Dämpfung wird ein Nachschwingen der Membran nach Beendigung der Anregung durch das Piezoelement rasch beendet, so dass der Schallwandler, wenn er als kombiniertes Sende- und Empfangselement eingesetzt wird, bereits kurze Zeit nach Aussendung eines Schallpulses bereit zum Empfang von Echos ist.
Die Resonanzfrequenz des Schallwandlers kann durch das Anordnen von Sicken oder Verdickungen, der Wahl von Form, Material und Dicke der Membran, sowie gegebenenfalls durch die Form und Länge der Stege eingestellt werden. Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Schallwandler breitbandig durch die Reduzierung der schwingenden Masse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1a und 1b zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers, bei dem das Piezoelement über Stege mit der schwingenden Fläche der Membran verbunden ist,
2a zeigt eine an der schwingenden Fläche der Membran angeordnete Sicke,
2b zeigt eine an der schwingenden Fläche der Membran angeordnete Verdickung
3 zeigt eine Ausführungsform des Schallwandlers, bei der zwischen dem Piezoelement und der Membran eine Folie angeordnet ist,
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schallwandlers mit einer Folie zwischen Piezoelement und Membran, wobei die Folie eine geringere Fläche aufweist als das Piezoelement,
5 zeigt eine Ausführungsform des Schallwandlers mit Folie, wobei die Folie mit einem Klebepunkt in der Mitte mit der Membran und dem Piezoelement verklebt ist,
6 zeigt einen Schallwandler mit einer zwischen Membran und Piezoelement angeordneten Folie, wobei die Folie weich ist und flächig mit dem Piezoelement und der Membran verklebt ist,
7a und 7b zeigen verschiedene Ausführungsformen des Schallwandlers, bei der unterhalb des Piezoelements Dämpfungsmaterial angeordnet wurde,
7c zeigt einen Schallwandler, bei dem in dem zwischen den Stegen, dem Piezoelement und der Membran gebildeten Raum Füllmaterial zur Dämpfung aufgenommen ist.
Ausführungsformen der Erfindung
1a und b zeigen einen Schallwandler, bei dem das Piezoelement über Stege mit der Membran verbunden ist.
Der Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12, die in der in 1 dargestellten Ausführungsform topfförmig ausgestaltet ist. Die schwingende Fläche 13 der Membran 12 ist hier im Ruhezustand, das heißt ohne Anregung zum Schwingen, flach ausgeführt. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist auch eine gewölbte Ausgestaltung der schwingenden Fläche 13 denkbar. In der Nähe des Rands 15 der Membran 12 sind Stege 24 angeordnet, an deren Enden ein Piezoelement 14 durch Verklebungen 18 aufgenommen ist. Die Position der Stege 24 ist dabei so gewählt, dass diese den Rand 15 der Membran nicht berühren, aber ein Verkleben mit dem Randbereich 17 des Piezoelements 14 ermöglichen.
In 1a sind sowohl das Piezoelement 14 als auch die schwingende Fläche 13 der Membran 12 in ihren jeweiligen Ruhezuständen dargestellt. Zur Abstrahlung von Schall wird das Piezoelement 14 elektrisch angeregt und führt dann, abhängig von der Frequenz und Stärke des anregenden elektrischen Wechselfeldes, Schwingungen entlang der mit dem Bezugszeichen 28 angezeigten Richtung aus. Über die Verbindungen des Piezoelements 14 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 werden dabei Schubkräfte auf die Membran 12 übertragen. Die schwingende Fläche 13 der Membran 12 führt daraufhin Dickeschwingungen senkrecht zur Flächennormalen der schwingenden Fläche 13 aus, wie mit dem Pfeil 26 angedeutet.
In 1b ist das Piezoelement 14 in einem kontrahierten Zustand dargestellt. Angeregt durch ein elektrisches Wechselfeld zieht sich das Piezoelement 14 in der mit Bezugszeichen 28 versehenen Richtung zusammen. Die dabei auftretenden Schubkräfte werden über die Verbindung des Piezoelements 14 zur schwingenden Fläche 13 der Membran 12 auf die Membran 12 übertragen. In der dargestellten Ausführungsform wird die Verbindung über die Stege 24 und die Verklebungen 18 gewährleistet. Aufgrund der Kontraktion des Piezoelements 14 wölbt sich die schwingende Fläche 13 der Membran 12. Die Frequenz dieser Schwingung entspricht der Frequenz des elektrischen Feldes, mit dem das Piezoelement 14 angeregt wird. Die Schwingung der Membran 12 verursacht Druckschwankungen in der angrenzenden Luft, wodurch der Schall erzeugt wird.
Umgekehrt kann die schwingende Fläche 13 der Membran 12 durch Schallwellen aus der Luft zur Schwingung angeregt werden und diese über die Stege 24 und Verklebung 18 auf das Piezoelement 14 übertragen. Das Piezoelement 14 setzt in diesem Fall die mechanischen Schwingungen in eine elektrische Spannung um.
2a zeigt eine Membran 12 eines Schallwandlers, an der eine Sicke angeordnet ist.
Die Membran 12 eines Schallwandlers 10 weist einen Rand 15 und eine schwingende Fläche 13 auf. An der schwingenden Fläche 13 sind in der Nähe des Rands 15 Stege 24 vorgesehen, über die der Randbereich 17 eines Piezoelements 14 über eine Verklebung 18 mit der Membran 12 verbunden wird. Durch Anregung des Piezoelements 14 mit einem elektrischen Wechselfeld werden Schwingungen erzeugt, die über die Verklebung 18 und den Steg 24 auf die schwingende Fläche 13 der Membran übertragen werden. Die Steifheit der Membran 12 ist jedoch im Bereich ihres Rands 15 erhöht. Bei der Anregung einer Dickenschwingung in der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 muss daher gegen den steifen Rand 15 angearbeitet werden. Zur Reduzierung der dabei auftretenden Energieverluste wird deswegen eine Sicke 30 zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 angeordnet. Die Sicke 30 ist in der gezeigten Ausführungsform als Reduzierung der Materialstärke ausgeführt. Wie aus der 2a ersichtlich, ist die Membran 12 an der Stelle 32 dünner ausgeführt als an der Stelle 34, die sich an der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 befindet.
2b zeigt eine Membran 12 eines Schallwandlers, an der eine Verdickung angeordnet ist.
Eine Alternative zu der in 2a gezeigten Ausführungsform ist in 2b dargestellt. Hier ist statt der Sicke 30 eine Verdickung 31 zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 angeordnet. Die Verdickung 31 ist in der gezeigten Ausführungsform als Erhöhung der Materialstärke ausgeführt. Wie aus der 2b ersichtlich, ist die Membran 12 beispielsweise an der Stelle 33 dicker ausgeführt als an der Stelle 34, die sich an der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 befindet. Die in 2b gezeigte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei hohen Resonanzfrequenzen, da die Verdickung 31 im Bereich zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 eine höhere Stabilität und damit eine höhere Steifigkeit gewährt.
3 zeigt einen Schallwandler, bei dem zwischen dem Piezoelement und der Membran eine Folie angeordnet ist.
Der Schallwandler 10 weist eine Membran 12 auf, welche in der dargestellten Ausführungsform topfförmig ausgeführt ist, wobei die schwingende Fläche 13 der Membran 12 im Ruhezustand flach ausgestaltet ist. An der unteren Seite der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 ist eine Folie 16 angeordnet, die ein Piezoelement 14 von der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 trennt. Die Folie 16 und das Piezoelement 14 sind dabei kleiner als die schwingende Fläche 13 ausgeführt, so dass beide den Rand 15 der Membran 12 nicht berühren. Für die Verbindung zwischen schwingender Fläche 13, der Folie 16 und des Piezoelements 14 sind Klebeverbindungen 18 vorgesehen. Die Klebeverbindungen 18 sind ausschließlich in den Randbereichen 17 des Piezoelements 14 vorhanden. Der größte Teil der der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements 14 wird nicht verklebt. Das Material der Folie 16 sowie der verwendete Klebstoff werden so gewählt, dass diese geeignet sind, Schubkräfte, die bei der Anregung des Piezoelements 14 über ein elektrisches Feld entstehen, auf die schwingende Fläche 13 der Membran 12 zu übertragen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schallwandlers bei dem eine Folie zwischen Piezoelement und schwingender Fläche der Membran angeordnet ist, wobei die Fläche der Folie kleiner ist als die des Piezoelements.
Zwischen der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 des Schallwandlers 10 und dem Piezoelement 14 ist wieder eine Folie 16 aufgenommen. Die Fläche der Folie 16 ist so gewählt, dass diese die Oberfläche des Piezoelements 14 nicht vollständig bedeckt. Die Folie 16 wirkt als Abstandshalter zur Regulierung des Abstands des Piezoelements 14 zur schwingenden Fläche 13 der Membran 12. Des Weiteren wird durch die Folie 16 verhindert, dass Klebstoff 18 über den Randbereich 17 des Piezoelements 14 hinausfließen kann.
Überschüssiger Klebstoff 18 fließt aus dem Raum zwischen Piezoelement 14 und Membran 12 hinaus. Der Klebstoff 18 wird so gewählt, dass nach seinem Aushärten eine schubstarre Verbindung zwischen den Randbereichen 17 des Piezoelements 14 und der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 entsteht, so dass bei elektrischer Anregung des Piezoelements 14 Schubkräfte auf die Membran 12 übertragen werden können.
5 zeigt eine Variante des Schallwandlers mit einer Folie zwischen Piezoelement und Membran.
Der in 5 gezeigte Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12 mit einer schwingenden Fläche 13. An der Unterseite der schwingenden Fläche 13 befindet sich ein Piezoelement 14, wobei eine Folie 16, deren Fläche kleiner ist als die Fläche des Piezoelements 14, als Abstandshalter dient. Über Klebeverbindungen 18 ist das Piezoelement 14 an seinem Randbereich 17 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 verbunden. Zusätzliche Klebepunkte 20 sind jeweils zwischen der schwingenden Fläche 13, der Folie 16 und dem Piezoelement 14 angeordnet, wobei sich die Klebepunkte 20 im Bereich der Mitte des Piezoelements 14 befinden. Durch die zusätzlichen Klebepunkte 20 wird in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10 ein Abheben der schwingenden Fläche der Membran 13 vom Piezoelement 14 verhindert.
6 zeigt eine weitere Variante eines Schallwandlers bei dem zwischen der schwingenden Fläche der Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet ist.
Der Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12 mit schwingender Fläche 13 an deren Unterseite ein Piezoelement 14 angeordnet ist, wobei eine Folie 16 zwischen Piezoelement 14 und der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 als Abstandshalter dient. An den Randbereichen 17 ist das Piezoelement 14 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 über Verklebungen 18 verbunden. In dieser Ausführungsform wird für die Folie 16 ein weiches Material verwendet. Dadurch kann über die Folie 16 trotz flächiger Verklebungen 22 jeweils zwischen der schwingenden Fläche 13, der Folie 16 und dem Piezoelement 14 keine bzw. nur eine geringe Schubkraft vom Piezoelement 14 auf die schwingende Fläche 13 über die Folie 16 übertragen werden.
Auch in dieser Ausführungsform wird ein Abheben der Membran 12 vom Piezoelement 14 verhindert.
In den 7a und b sind Ausführungsformen des Schallwandlers dargestellt, bei denen unterhalb des Piezoelements 14 Dämpfungsmaterial angeordnet ist.
7a zeigt einen Schallwandler 10 bei dem zwischen dem Piezoelement 14 und der Membran 12 eine Folie 16 aufgenommen ist. Durch Verklebungen 18 zwischen Membran 12, Folie 16 und Piezoelement 14 im Bereich der Ränder 17 des Piezoelements 14 wird eine Kraftübertragung vom Piezoelement 14 auf die Membran 12 sichergestellt. Wird das Piezoelement 14 über ein elektrisches Wechselfeld zur Schwingung angeregt, werden diese über die Klebeverbindungen 18 und die Folie 16 auf die Membran 12 übertragen. Um ein Nachschwingen der Membran 12 nach dem Ende der Anregung durch das Piezoelement 14 zu unterbinden, ist in den freien Bereichen, die an das Piezoelement 14 angrenzen, Dämpfungsmaterial 36 angeordnet. Als Dämpfungsmaterial 36 sind insbesondere nicht-leitende Elastomere geeignet.
In 7b ist ebenfalls die Anordnung von Dämpfungsmaterial 36 in den freien Bereichen, die an das Piezoelement 14 angrenzen, dargestellt, jedoch ist das Piezoelement 14 in dieser Ausführungsform über Stege 24 und Klebeverbindungen 18 mit der Membran 12 verbunden.
In 7c ist ebenfalls ein Schallwandler 10 dargestellt, bei dem das Piezoelement 14 wie in 7b über Stege 24 und Verklebungen 18 mit der Membran 12 verbunden ist. Im Gegensatz zur 7b ist das Dämpfungsmaterial 38 in einem Hohlraum angeordnet, der vom Piezoelement 14, der Membran 12 und den Stegen 24 gebildet wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers können die Ausführungsformen wie sie in den 7b und 7c dargestellt sind kombiniert werden, so dass Hohlräume 36, 38 mit einem Dämpfungsmaterial aufgefüllt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19750179 A1 [0005]
DE 202007007135 U1 [0006]
DE 19620133 A1 [0007]

Claims

Schallwandler (10) umfassend eine Membran (12) und mindestens ein Piezoelement (14), wobei die Schwingungsebene des Piezoelements (14) im Wesentlichen parallel zur schwingenden Fläche (13) der Membran (12) angeordnet ist, die Membran (12) im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements (14) schwingt und die schwingende Fläche (13) der Membran (12) größer ist als die Fläche des Piezoelements (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (14) an seinen Randbereichen (17) auf der der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement (14) auf die Membran (12) übertragen werden, wobei an die der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche des Piezoelements (14) mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement (14), die schwingende Fläche (13) der Membran (12) und die Verbindung zwischen Piezoelement (14) und Membran (12) gebildet wird, oder zwischen dem Piezoelement (14) und der Membran (12) eine Folie (16) angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements (14) die Membran (12) nicht berühren.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung an den Randbereichen (17) des Piezoelements (14) mit der Membran (12) durch Kleben erfolgt.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Piezoelements (14) mit der Membran (12) durch Verkleben des Piezoelements (14) mit an der Membran (12) angeordneten Stegen (24) erfolgt.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Membran (12), die Stege (24) und das Piezoelement (14) gebildete Raum mit einem Material (36) zur Dämpfung der Membran (12) ausgefüllt ist.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) eine hohe Schubsteifigkeit aufweist, so dass eine Kraftübertragung von dem Piezoelement (14) auf die Membran (12) über die Folie (16) erfolgt.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Folie (16) kleiner als die des Piezoelements (14) sind und die nicht von der Folie (16) abgedeckten Bereiche des Piezoelements (14) mit der Membran (12) verklebt sind.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) in der Mitte mit jeweils einem Klebepunkt (20) mit der Membran (12) und dem Piezoelement (14) verklebt wird.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) über ihre gesamte Fläche mit der Membran (12) und dem Piezoelement (14) verklebt ist, wobei die Folie (16) eine geringe Schubsteifigkeit aufweist, so dass keine Kraftübertragung von dem Piezoelement (14) auf die Membran (12) über die Folie (16) erfolgt.
Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran (12) zwischen der Verbindung mit dem Piezoelement (14) und dem Rand (15) der Membran (12) mindestens eine Sicke (30) oder mindestens eine Verdickung (31) angeordnet ist.
Schallwandler (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sicke (30) durch Reduzierung der Materialstärke der Membran (12) ausgebildet ist oder die mindestens eine Verdickung (31) durch Erhöhen der Materialstärke der Membran (12) ausgebildet ist.
Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) aus einem Metall, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schallwandlers (10) durch Anordnen von Sicken (30) oder Erhöhungen (31), Wahl von Form, Material und Dicke der Membran (12) sowie gegebenenfalls durch die Form und Länge der Stege (24) vorgegeben ist.
Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Membran (12) abgewandten Seite des Piezoelements (14) Dämpfungsmaterial (38) angeordnet ist.