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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Schallwandler.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Schallwandler für Aufgaben der Umfeldsensierung, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen (z. B. Roboter, Landmaschinen, Baumaschinen) auftreten, einzusetzen. Für Anwendungen der ultraschallbasierten Umfeldsensierung werden häufig piezobasierte Schallwandler verwendet. Um hohe Sendestärken und/oder Empfangsempfindlichkeiten zu erzielen, werden dabei überwiegend sogenannte resonante Schwinger, die aus Festkörpern und einem oder mehreren Piezoelementen bestehen, eingesetzt. Typisch für derartig aufgebaute Schallwandler ist die Kombination von Festkörpern (z.B. aus dem Metall Aluminium oder aus einem Kunststoff) und einem oder mehreren aufgeklebten, separaten Piezoelementen, die üblicherweise eine Piezokeramik aufweisen. Derartige Anordnungen sind gut etabliert, bedingen allerdings durch ihre Mehrteiligkeit einen entsprechenden Aufwand in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Außerdem haben die verschiedenen Materialien unterschiedliche Materialeigenschaften. Das ist mit Nachteilen verbunden, da z.B. unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten zu mechanischen Spannungen in den Verbindungsstellen bis hin zu Bruch führen können. Außerdem wird an den Übergangsstellen zwischen den Einzelteilen der (Körper-)Schall nicht nur transmittiert sondern auch reflektiert, was die Sendestärke und/oder Empfangsempfindlichkeit des Schallwandlers beeinträchtigen kann.
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Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, piezoelektrische Elemente derart auszubilden, dass die Elektroden bereits bei der Herstellung eingebettet werden, um so Klebestellen zu vermeiden und die Eigenschaften der piezoelektrischen Elemente zu verbessern.
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Aus der
DE 199 61 084 A1 ist ein piezoelektrischer Dickendehnungsresonator sowie dessen Verwendung bekannt. Der piezoelektrische Resonator umfasst mehrere Elektroden, die teilweise in das Innere des Resonators eingebettet wurden. Das Einbetten wird durch Einbringen der Elektroden in den Rohling und anschließendem einstückigen Brennen des piezoelektrischen Resonators erreicht. Während der Herstellung wird durch gezieltes Anlegen von elektrischen Spannungen an die Elektroden eine Polarisierung bestimmter Bereiche des piezoelektrischer Dickendehnungsresonators erreicht, wodurch sich in diesen Bereichen der bekannte piezoelektrische Effekt ausbildet. Zur Verwendung des Resonators wird dieser anschließend auf ein Substrat aufgeklebt.
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Die
US 5,410,210 A beschreibt das Einbetten von Elektroden in ein piezoelektrisches Polymer. Dazu wird eine perforierte Elektrode in eine Form eingelegt und mit dem Polymer umspritzt. Weitere Elektroden können auf den Oberflächen befestigt werden, in dem diese mit einem Lösungsmittel behandelt werden. Die auf diese Weise hergestellte piezoelektrische Vorrichtung kann je nach den gewünschten Abstrahleigenschaften gebogen oder aufgewickelt werden.
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Aus der
US 5,230,921 A ist eine piezoelektrische Membran bekannt. Zur Herstellung wird in einem ersten Schritt eine Kunststoffmembran behandelt, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen und diese mit piezoelektrischen Eigenschaften zu versehen. In weiteren Schritten werden Elektroden und Trägerschichten aufgebracht. In einer Ausführungsform wird die Membran dabei mit einem Array von Elektroden versehen, wobei jede Elektrode einzeln kontaktiert und getrennt von den anderen ansteuerbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht einen Schallwandler vor, der einen Resonator aufweist, wobei der Resonator aus einem piezokeramischen Material oder einem Piezo-Polymer-Material ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Resonator einteilig mit einem piezoelektrischen Element ausgebildet. Dadurch werden die genannten Nachteile des Stands der Technik vermieden. Vorteilhaft sind das vereinfachte Herstellverfahren, insbesondere die Vereinfachung bei der Aufbau- und Verbindungstechnik. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung erreicht, dass der Schallwandler homogene Materialeigenschaften im gesamten Resonator aufweist, insbesondere gleiche Temperaturausdehnungskoeffizienten, wodurch mechanische Spannungen vermieden werden. Weiterhin wird ein optimierter Körperschallübergang erzielt, da bei dem Resonator keine Materialgrenzen auftreten, an denen Körperschall reflektiert würde. Dadurch können hohe Empfangsempfindlichkeiten zusammen mit einer hohen Sendeleistung erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßer Schallwandler kann damit besonders vorteilhaft für einen Ultraschallsensor zur Umfelderfassung, beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs oder in der Robotik eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Schallwandler vorgeschlagen, der einen Resonator, mindestens ein piezoelektrisches Element und mindestens zwei Elektroden aufweist, wobei jeweils zwei Elektroden dem piezoelektrischen Element zugeordnet sind und zur Ansteuerung und/oder zum Abgreifen eines elektrischen Signals an dem piezoelektrischen Element dienen. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Resonator und das piezoelektrische Element einteilig aus einem piezokeramischen Material oder einem Piezo-Polymer-Material ausgebildet sind, wobei mindestens eine der Elektroden in den Resonator eingebettet ist und das piezoelektrische Element durch einen polarisierten und damit piezoelektrisch aktiven Bereich des Resonators gebildet ist. Der polarisierte Bereich ist dabei durch zwei der Elektroden begrenzt.
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Die Herstellung eines derartigen Resonators erfolgt erfindungsgemäß, indem ein aus einem piezokeramischen Materialpulver oder einem Piezo-Polymer-Materialpulver hergestellter Grünling in mehreren Verfahrensschritten gepresst wird. Die Elektroden werden jeweils durch eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet, die auf einer davor vorgesehenen Oberfläche aufgebracht wird, gegebenenfalls zwischen zwei Pressvorgängen, um die Einbettung der Elektrode in den Resonator zu erzielen. Nach dem Aufbringen der Elektroden wird ein Bereich des Resonators zwischen den Elektroden durch Anlegen einer elektrischen Spannung polarisiert und dadurch zu einem piezoelektrischen Element ausgebildet.
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Bevorzugt umfasst das zur Herstellung des erfindungsgemäßen Resonators verwendete Materialpulver eine piezoelektrische Keramik, wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und/oder ein piezoelektrisches Polymer, wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die Elektroden sind bevorzugt durch eine metallische Schicht ausgebildet, die insbesondere Silber aufweist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Schallwandler in allen bekannten Formen und Ausprägungen hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Resonator als Membrantopf mit einer Membran und einer umlaufenden Mantelfläche ausgebildet. Das piezoelektrische Element ist durch einen polarisierten Bereich der Membran gebildet. Diese Form entspricht in der Form und Funktionsweise aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandlern mit Membrantöpfen, die als Biegeschwinger wirken. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein piezoelektrisches Element meist auf die Innenfläche der Membran geklebt wird, ist erfindungsgemäß der Membrantopf einteilig mit dem piezoelektrischen Element ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist der Resonator als Dickenschwinger, also im Wesentlichen stabförmig, ausgebildet, wobei Elektroden in den stabförmigen Resonator eingebettet sind. Die Elektroden können dabei senkrecht zur Schwingungsrichtung des Resonators oder parallel zur Schwingungsrichtung des Resonators angeordnet sein.
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In einer weiteren alternativen Ausführung der Erfindung weist der Resonator mehrere separate polarisierte, piezoelektrisch aktive Bereiche mit jeweils zugeordneten Elektroden auf. Dabei sind die polarisierten Bereiche bevorzugt derart angeordnet, dass sie ein Schallwandler-Array ausbilden. Es wird demnach eine Struktur aus mehreren Teilresonatoren ausgebildet, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die grundsätzliche Funktionsweise und der Aufbau eines Schallwandler-Arrays sind dem Fachmann geläufig. Durch die erfindungsgemäße einteilige Ausbildung der einzelnen Resonatoren und der jeweils zugeordneten piezoelektrischen Elemente ergibt sich eine deutliche Vereinfachung der Herstellung in Kombination mit verbesserten Sensoreigenschaften durch den homogenen Aufbau des gesamten Arrays.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines Schallwandlers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt den schematischen Aufbau eines Schallwandlers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt den schematischen Aufbau eines Schallwandlers nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt den schematischen Aufbau eines Schallwandler-Arrays nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungen der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Schallwandler 1 dargestellt, der nach dem bekannten Prinzip des Membrantopfes aufgebaut ist. Der Schallwandler 1 weist einen im Wesentlichen topfförmigen Resonator 10 auf, der eine beispielsweise kreisförmige Membran 34 umfasst und eine um die Membran 34 umlaufende Mantelfläche 32. An einer Innenfläche 36 ist ein piezoelektrisches Element 20 angeordnet. Wird der topfförmige Resonator 10 durch das piezoelektrische Element 20 zu Schwingungen angeregt, so führt die Membran 34 eine Biegeschwingung aus, und Schallwellen werden von der Außenfläche 38 der Membran 34 abgestrahlt. Umgekehrt regen einfallende Schallwellen die Membran 34 zu Biegeschwingungen an. Dadurch werden nach dem bekannten piezoelektrischen Prinzip Spannungssignale in dem piezoelektrischen Element 20 erzeugt. Die Anordnung wirkt also als Schallwandler.
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In herkömmlichen Anwendungen, beispielsweise bei Schallwandlern für Ultraschallsensoren in Fahrerassistenzsystemen ist der topfförmige Resonator meist aus einem Metall, wie z.B. Aluminium ausgebildet. Das piezoelektrische Element liegt in Form einer beispielsweise aus einer Piezokeramik bestehenden Scheibe mit entsprechenden Elektroden vor, die auf die Innenfläche der Membran des topfförmigen Resonators geklebt ist. Dadurch ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile.
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Erfindungsgemäß ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 deshalb vorgesehen, dass der Resonator 10 und das piezoelektrische Element 20 einteilig aus einem piezokeramischen Material oder einem Piezo-Polymer-Material ausgebildet sind. Elektroden 12 und 14 sind durch dünne elektrisch leitfähige Schichten, die beispielsweise Silber aufweisen, ausgebildet. Die erste Elektrode 12 ist dabei in das piezoelektrische Material des Resonators 10 eingebettet. Die zweite Elektrode 14 ist als leitfähige Schicht auf einem begrenzen Bereich 36‘ der Innenfläche 36 angeordnet. Der Bereich 22 zwischen den Elektroden 12 und 14 ist durch elektrische Polarisation piezoelektrisch aktiv und bildet daher ein piezoelektrisches Element 20 aus. Durch nicht dargestellte elektrische Anschlüsse können Spannungssignale an die Elektroden 12, 14 angelegt und von den Elektroden 12, 14 abgegriffen werden.
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Bei der Herstellung des Resonators 10 wird erfindungsgemäß ein aus einem piezokeramischen Materialpulver oder ein aus einem Piezo-Polymer-Material hergestellter Grünling in mehreren Schritten gepresst. Zwischen zwei Pressvorgängen wird die erste Elektrode 12 durch Beschichten eines entsprechenden Bereichs des gepressten Grünlings mit einem leitfähigen Material, wie z.B. Silber erzeugt. Die zweite, freiliegende Elektrode 14 wird nach dem Pressen durch Beschichtung des entsprechenden Bereichs 36‘ aufgebracht. Der Bereich 22 zwischen den Elektroden 12 und 14 wird durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung polarisiert und dadurch piezoelektrisch aktiv, womit der Bereich 22 ein piezoelektrisches Element 20 ausbildet. Die Gleichspannung kann dabei abhängig vom Abstand zwischen den Elektroden gewählt werden und beträgt bevorzugt 1000–10000 V/mm, besonders bevorzugt ca. 2000 V/mm. Während die Gleichspannung anliegt wird das Material bevorzugt bis knapp unterhalb seiner Curie-Temperatur erhitzt. Nach dem Erkalten bleibt die Polarisierung des Bereichs 22 größtenteils erhalten. Der Rest des Resonators bleibt unpolarisiert und zeigt demnach auch keine piezoelektrischen Eigenschaften.
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2 zeigt einen Schallwandler 1 der einen Resonator 10 und ein Gehäuse 60 aufweist, wobei der Resonator 10 als Dickenschwinger ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Resonator 10 derart aufgebaut, dass er einteilig mit einem piezoelektrischen Element 20 ausgebildet ist. Der Resonator 10 ist dazu aus einem Piezo-Material, wie beispielsweise einer Keramik wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), oder einem Polymer, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgeführt. Bei der Herstellung des Resonators 10 werden Elektroden 12 und 14 als elektrisch leitfähige Schichten in den Resonator 10 eingebettet. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung von 1000 bis 10000 V/mm. an die Elektroden 12 und 14 während des Herstellungsprozesses wird der Bereich 22 zwischen den Elektroden 12 und 14 polarisiert und dadurch piezoelektrisch aktiv und bildet ein piezoelektrisches Element 20 aus. Im Betrieb des Schallwandlers 1 wird der Resonator 10 durch Anlegen eines periodischen Spannungssignals an die Elektroden 12 und 14 zu Dickenschwingungen in die durch den Pfeil D angedeutete Richtung angeregt, Schallwellen werden von der Stirnfläche 38 des Resonators 10 abgestrahlt. Umgekehrt regen auf die Stirnfläche 38 einfallende Schallwellen den Resonator 10 zu Schwingungen an, die in dem piezoelektrischen Element 20 Spannungssignale erzeugen.
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Um die Abstrahlcharakteristik des Schallwandlers 1 festzulegen, weist der Resonator an seinem freien Ende einen Bereich 11 mit einem vergrößerten Querschnitt auf. Der Bereich 11 kann außerdem mit einer Querschnittsfläche gebildet sein, die sich in Ihrer geometrischen Form vom Querschnitt des Resonators außerhalb des Bereichs 11 unterscheidet. So kann beispielsweise der Resonator eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, während der Bereich 11 eine ovale oder rechteckige Form aufweist.
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Im Beispiel gemäß 2 sind die Elektroden 12 und 14 derart ausgebildet, dass sie parallel zur Stirnfläche 38 und damit senkrecht zur Schwingungsrichtung D des Resonators 10 verlaufen. Dadurch wird der sogenannte d31-Effekt an dem piezoelektrisch aktiven Bereich 22 wirksam, d.h. die mechanische Bewegung erfolgt quer zur Richtung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden. Durch diese Wahl kann ein großes Volumen des piezoelektrisch aktiven Bereichs 22 ermöglicht werden.
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In 3 ist ein Schallwandler 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Aufbau sowie die Funktionsweise entsprechen im Wesentlichen dem Aufbau und der Funktionsweise des in 2 dargestellten Schallwandlers 1. Der Unterschied besteht darin, dass die Elektroden 12 und 14 derart ausgebildet, dass sie senkrecht zur Stirnfläche 38 und damit parallel zur Schwingungsrichtung D des Resonators 10 ausgerichtet sind. Durch diese Anordnung der Elektroden wird der sogenannte d31-Effekt an dem piezoelektrisch aktiven Bereich 22 wirksam, d.h. die mechanische Bewegung erfolgt quer zur Richtung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden. Durch diese Wahl kann ein großes Volumen des piezoelektrisch aktiven Bereichs 22 ermöglicht werden.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Bei diesem Beispiel ist eine Struktur aus zwei Elektrodenpaaren 12‘, 14‘ und 12‘‘, 14‘‘ in einer Resonatorstruktur 50 ausgebildet. Die Resonatorstruktur 50 ist im Wesentlichen plattenartig ausgebildet und umfasst Bereiche 53 und 55, die eine verringerte Materialdicke aufweisen. Die Elektrodenpaare 12‘, 14‘‘ und 12‘‘, 14‘‘ sind in diesen Bereichen 53 und 55 ausgebildet. Dabei ist, wie bereits im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben, die Resonatorstruktur 50 aus einem piezokeramischen Material, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), oder einem Piezo-Polymer-Material, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) gefertigt. Bei der Herstellung der Resonatorstruktur 50 werden die Elektroden 12’ und 12‘‘, als elektrisch leitfähige Schichten in die Resonatorstruktur 50 eingebettet, die Elektroden 14’ und 14‘‘ werden als Beschichtung innen in den Bereichen 53 und 55 aufgebracht. Durch Polarisierung der Bereiche 22‘ und 22‘‘ zwischen den Elektroden 12‘ und 14‘ bzw. 12‘‘ und 14‘‘ werden diese Bereiche 22‘ und 22‘‘ piezoelektrisch aktiv und piezoelektrische Elemente 20‘ und 22‘ werden ausgebildet.
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Damit ergibt sich eine Anordnung aus zwei Schallwandlern 15, 16 die ein sogenanntes Schallwandler-Array ausbilden. Dem Fachmann ist dabei klar, dass auch mehr als zwei Schwallwandler in der beschriebenen Weise in der Resonatorstruktur 50 ausgebildet werden können. Die Anordnung, Form und Größen der einzelnen Schallwandler in dem Array kann abhängig von den gewünschten Eigenschaften und der beabsichtigten Anwendung gewählt werden. Üblicherweise werden die Elemente eines Schallwandler-Arrays derart angeordnet, dass der Abstand zwischen zwei Elementen im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der Schallwellen bei der jeweiligen Resonanzfrequenz (in Luft) beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19961084 A1 [0004]
- US 5410210 A [0005]
- US 5230921 A [0006]
