DE102013222076A1 - Sound transducer and manufacturing method for a sound transducer - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Schallwandler (1) vorgeschlagen, der einen Resonator (10), mindestens ein piezoelektrisches Element (20) und mindestens zwei Elektroden (12, 14) aufweist, wobei jeweils zwei Elektroden (12, 14) dem piezoelektrischen Element zugeordnet sind und zur Ansteuerung und/oder zum Abgreifen eines elektrischen Signals an dem piezoelektrischen Element (20) dienen. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Resonator (10) und das piezoelektrische Element (20) einteilig aus einem piezokeramischen Material oder einem Piezo-Polymer-Material ausgebildet sind, wobei mindestens eine der Elektroden (12) in den Resonator eingebettet ist und das piezoelektrische Element (20) durch einen polarisierten Bereich (22) des Resonators (10) gebildet ist. Der polarisierte Bereich (22) ist dabei durch zwei der Elektroden (12, 14) begrenzt.According to the invention, a sound transducer (1) is proposed, which has a resonator (10), at least one piezoelectric element (20) and at least two electrodes (12, 14), wherein two electrodes (12, 14) are respectively assigned to the piezoelectric element and to Activation and / or tapping an electrical signal to the piezoelectric element (20) are used. According to the invention it is provided that the resonator (10) and the piezoelectric element (20) are integrally formed from a piezoceramic material or a piezo-polymer material, wherein at least one of the electrodes (12) is embedded in the resonator and the piezoelectric Element (20) is formed by a polarized region (22) of the resonator (10). The polarized region (22) is delimited by two of the electrodes (12, 14).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Schallwandler.The present invention relates to a sound transducer according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
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.It is known to use sound transducers for environmental sensing tasks, such as those encountered in connection with motor vehicles, moving or stationary machines (eg robots, agricultural machines, construction machines). Piezo-based sound transducers are often used for applications of ultrasound-based environmental sensing. In order to achieve high transmission strengths and / or reception sensitivities, predominantly so-called resonant oscillators, which consist of solids and one or more piezo elements, are used. Typical of such constructed transducer is the combination of solids (for example, the metal aluminum or a plastic) and one or more bonded, separate piezoelectric elements, which usually have a piezoceramic. Such arrangements are well established, but require due to their multi-part a corresponding effort in the construction and connection technology. In addition, the different materials have different material properties. This is associated with disadvantages, as e.g. different coefficients of thermal expansion can lead to mechanical stresses in the joints to breakage. In addition, the (body) sound is not only transmitted but also reflected at the transition points between the items, which may affect the transmission strength and / or reception sensitivity of the transducer.
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.From the prior art solutions are known to form piezoelectric elements such that the electrodes are already embedded in the production, so as to avoid splices and to improve the properties of the piezoelectric elements.
Aus der
Die
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.The invention provides a sound transducer having a resonator, wherein the resonator is formed of a piezoceramic material or a piezo-polymer material. According to the invention, the resonator is formed integrally with a piezoelectric element. As a result, the mentioned disadvantages of the prior art are avoided. Advantageous are the simplified manufacturing process, in particular the simplification in the construction and connection technology. In addition, it is achieved by the construction according to the invention that the sound transducer has homogeneous material properties in the entire resonator, in particular equal thermal expansion coefficients, whereby mechanical stresses are avoided. Furthermore, an optimized structure-borne sound transition is achieved, since in the resonator no material boundaries occur at which structure-borne noise would be reflected. As a result, high reception sensitivities can be achieved together with a high transmission power.
Ein erfindungsgemäßer Schallwandler kann damit besonders vorteilhaft für einen Ultraschallsensor zur Umfelderfassung, beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs oder in der Robotik eingesetzt werden.An inventive sound transducer can thus be used particularly advantageously for an ultrasonic sensor for environment detection, for example for a driver assistance system of a motor vehicle or in robotics.
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. According to the invention, a sound transducer is proposed, which has a resonator, at least one piezoelectric element and at least two electrodes, wherein in each case two electrodes associated with the piezoelectric element and serve to drive and / or tapping an electrical signal to the piezoelectric element. According to the invention it is provided that the resonator and the piezoelectric element are integrally formed from a piezoceramic material or a piezo-polymer material, wherein at least one of the electrodes is embedded in the resonator and the piezoelectric element by a polarized and thus piezoelectrically active region of the resonator is formed. The polarized region is limited by two of the electrodes.
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.According to the invention, such a resonator is produced by pressing a green compact produced from a piezoceramic material powder or a piezo polymer material powder in several process steps. The electrodes are each formed by an electrically conductive layer which is applied to a surface provided in front, optionally between two pressing operations, in order to achieve the embedding of the electrode in the resonator. After applying the electrodes, a portion of the resonator is polarized between the electrodes by applying an electric voltage, thereby forming a piezoelectric element.
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.Preferably, the material powder used to make the resonator of the invention comprises a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate (PZT) and / or a piezoelectric polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF). The electrodes are preferably formed by a metallic layer, which in particular comprises silver.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Schallwandler in allen bekannten Formen und Ausprägungen hergestellt werden.By the method according to the invention sound transducers can be produced in all known forms and characteristics.
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.In a preferred embodiment of the invention, the resonator is designed as a diaphragm pot with a membrane and a circumferential lateral surface. The piezoelectric element is formed by a polarized region of the membrane. This form corresponds in shape and operation from the prior art known ultrasonic transducers with diaphragm cups that act as bending oscillator. In contrast to the prior art, in which a piezoelectric element is usually glued to the inner surface of the membrane, according to the invention the diaphragm pot is formed integrally with the piezoelectric element.
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.In an alternative embodiment of the invention, the resonator is designed as a thickness oscillator, that is to say substantially rod-shaped, wherein electrodes are embedded in the rod-shaped resonator. The electrodes may be arranged perpendicular to the vibration direction of the resonator or parallel to the vibration direction of the resonator.
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.In a further alternative embodiment of the invention, the resonator has a plurality of separate polarized, piezoelectrically active regions, each having associated electrodes. The polarized regions are preferably arranged such that they form a sound transducer array. Accordingly, a structure is formed from a plurality of partial resonators, which can be controlled independently of one another. The basic mode of operation and the construction of a transducer array are familiar to the person skilled in the art. The one-piece design according to the invention of the individual resonators and the respective associated piezoelectric elements results in a significant simplification of the production in combination with improved sensor properties due to the homogeneous structure of the entire array.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
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.In conventional applications, for example in sonic transducers for ultrasonic sensors in driver assistance systems, the cup-shaped resonator is usually made of a metal, e.g. Aluminum formed. The piezoelectric element is in the form of an existing example of a piezoceramic disk with corresponding electrodes, which is glued to the inner surface of the membrane of the pot-shaped resonator. This results in the disadvantages already described in connection with the prior art.
Erfindungsgemäß ist im Ausführungsbeispiel gemäß
Bei der Herstellung des Resonators
Um die Abstrahlcharakteristik des Schallwandlers
Im Beispiel gemäß
In
In
Damit ergibt sich eine Anordnung aus zwei Schallwandlern
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| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |