DE102015224767A1

DE102015224767A1 - Schallwandleranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung

Info

Publication number: DE102015224767A1
Application number: DE102015224767.8A
Authority: DE
Inventors: Andre Gerlach; Bernd Scheufele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2017097472A1; CN108367313A; EP3386646A1

Abstract

Schallwandleranordnung (100) umfassend einen Lochplattenträger (101), der eine Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten ersten Aussparungen (102) umfasst und der eine gegenüberliegende Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten zweiten Aussparungen (103) umfasst, sodass jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine laterale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103) größer ist als eine laterale Ausdehnung der ersten Aussparung (102), sodass sich auf der ersten Aussparung (102) Auflageflächen (104) bilden, mindestens zwei Biegeelemente (111, 121), wobei eine laterale Ausdehnung der Biegeelemente (111, 121) größer ist als die laterale Ausdehnung der ersten Aussparungen (102) und kleiner ist als die laterale Ausdehnung der zweiten Aussparungen (103), wobei jeweils ein Biegeelement (111, 121) innerhalb einer zweiten Aussparung (103) angeordnet ist und teilweise mit den Auflageflächen (104) elektrisch leitend verbunden ist, mindestens zwei Piezoelemente (106, 116), wobei jeweils ein Piezoelement (106, 116) innerhalb der ersten Aussparung (102) unterhalb eines Biegeelements (111, 121) angeordnet ist und mit dem Biegeelement (111, 121) elektrisch leitend verbunden ist und eine Abschlussschicht (108), die oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Biegeelemente (111, 121) angeordnet ist und mit dem Lochplattenträger (101) und den Biegeelementen (111, 121) verbunden ist, wobei die Abschlussschicht (108) oberhalb der Biegeelemente (111, 121) eine Membran darstellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schwallwandleranordnung mit mindestens zwei Biegeelementen und ein Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung.
Die Schrift DE 39 20 872 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, bei denen eine Piezokeramik und thermoplastisches Kunststoffmaterial durch Heißverkleben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung der für das Verkleben notwendigen Wärmezufuhr wird in der Piezokeramik durch Anlegen elektrischer Signale Verlustwärme produziert.
In der Schrift DE 10 2004 047 814 A1 wird ein fokussierendes Ultraschalltransducerarray gezeigt, welches als fokussierende klinisch verwendbare Ultraschallsonde verwendet werden kann und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Lateral nebeneinander ausgebildete Wandlerzellen werden bereichsweise elektrisch miteinander verdrahtet, um die angestrebte Fokussierung der Ultraschallwandlung zu erreichen.
Nachteilig ist hierbei, dass die einzelnen Ultraschallwandler äußeren Einflüssen, sowohl mechanischer als auch elektrischer Art, ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die einzelnen Schichtwandler gegen äußere Einflüsse zu schützen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schallwandleranordnung weist einen Lochplattenträger auf, der eine Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten ersten Aussparungen umfasst und der eine gegenüberliegende Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten zweiten Aussparungen umfasst. Dadurch sind jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung übereinander angrenzend angeordnet. Eine laterale Ausdehnung der zweiten Aussparung ist größer als eine laterale Ausdehnung der ersten Aussparung, sodass sich auf der ersten Aussparung Auflageflächen bilden. Des Weiteren weist die Schallwandleranordnung mindestens zwei Biegeelemente auf, wobei eine laterale Ausdehnung der Biegeelemente größer ist als die laterale Ausdehnung der ersten Aussparungen. Die laterale Ausdehnung der Biegeelemente ist kleiner als die laterale Ausdehnung der zweiten Aussparungen. Innerhalb einer zweiten Aussparung ist jeweils ein Biegeelement angeordnet, wobei das Biegeelement teilweise mit den Auflageflächen elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin weist die Schallwandleranordnung mindestens zwei Piezoelemente auf, wobei jeweils ein Piezoelement innerhalb der ersten Aussparung unterhalb eines Biegeelements angeordnet ist und mit dem Biegeelement elektrisch leitend verbunden ist. Eine Abschlussschicht ist oberhalb des Lochplattenträgers und der Biegeelemente angeordnet. Die Abschlussschicht ist mit dem Lochplattenträger und den Biegeelementen verbunden. Oberhalb der Biegeelemente stellt die Abschlussschicht eine Membran dar.
Der Vorteil ist hierbei, dass die einzelnen Biegeelemente mit Piezoelement gegenüber äußeren Einflüssen geschützt sind, da sie von einer einzigen Schicht, nämlich der Abschlussschicht, verdeckt bzw. bedeckt werden.
In einer Weiterbildung sind jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung fluchtend angeordnet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die einzelnen Schallwandler, die jeweils ein Biegeelement und ein Piezoelement umfassen, einen symmetrischen Aufbau aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Abschlussschicht eine elektrische isolierende Schicht auf, die mit den Biegeelementen und dem Lochplattenträger verbunden ist.
Der Vorteil ist hierbei, dass zwischen den einzelnen Schallwandlern eine schwingungsmechanische Entkopplung entsteht.
In einer Weiterbildung ist auf- oder innerhalb der Abschlussschicht eine Metallschicht angeordnet, insbesondere eine durchgehende Metallschicht.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine EMV-Schirmung der Schallwandleranordnung auf einfache Weise realisierbar ist, wenn die Metallschicht an eine elektrische Masse angeschlossen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist jedes Biegeelement eine strukturierte leitfähige Schicht auf, die einen ersten Bereich aufweist, der im Wesentlichen mittig angeordnet ist und die Piezoelemente elektrisch leitend kontaktiert. Die strukturierte leifähige Schicht weist einen zweiten Bereich auf, der lateral an den Rändern der Seiten jedes Biegeelements angeordnet ist und das Biegeelement mit den Auflageflächen elektrisch leitend verbindet.
Der Vorteil ist hierbei, dass sowohl der Kontakt der Piezoelemente als auch der Kontakt der Biegeelemente mittels einer strukturierten leitfähigen Schicht erfolgt. Das bedeutet, es ist nur ein Prozessschritt notwendig.
In einer Weiterbildung weist jedes Piezoelement eine erste Elektrode auf, die zwischen dem Piezoelement und dem ersten Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht angeordnet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine einfache Kontaktierung des Piezoelements möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist jedes Piezoelement eine der ersten Elektroden gegenüberliegende zweite Elektrode auf. In einer Weiterbildung ist die zweite Elektrode mit einem Bonddraht elektrisch leitend verbunden. Der Vorteil ist hierbei, dass die zweite Elektrode einfach mit einer Masse kontaktiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die ersten Aussparungen mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt. Das Dämpfungsmaterial weist insbesondere Silikon auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Schallwandleranordnung rückwärtig mechanisch stabilisiert wird und dass die einzelnen Schwallwandlerelemente entkoppelt werden.
In einer Weiterbildung ist der Lochplattenträger elektrisch leitfähig. Der Lochplattenträger weist insbesondere ein Metall oder eine metallisierte Keramik auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass auf einfache Weise eine Masse für die Schallwandleranordnung bereitgestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung umfasst das Verbinden jeweils einer ersten Elektrode von mindestens zwei Piezoelementen mit jeweils einem Biegeelement. Diese Verbindung erfolgt mittels eines ersten Bereichs einer strukturierten leitfähigen Schicht, die auf einer Seite der Biegeelements angeordnet ist. Das Biegeelement ist mit einer der strukturierten leitfähigen Schicht gegenüberliegenden Seite auf eine Abschlussschicht aufgebracht. Eine Lochträgerplatte, die eine Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten ersten Aussparungen und eine gegenüberliegende Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten zweiten Aussparung umfasst, wird auf Bereiche des Biegeelements und der Abschlussschicht aufgebracht. Dadurch dass die Lochträgerplatte erste Aussparungen und zweite Aussparungen aufweist, die aneinander angrenzen und eine laterale Ausdehnung der zweiten Aussparung größer ist als eine laterale Ausdehnung der ersten Aussparung bilden sich Auflageflächen auf der ersten Aussparung. Mit anderen Worten, ein zweiter Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht der Biegeelemente ist mit den Auflageflächen verbunden und laterale Bereiche zwischen den zweiten Aussparungen sind mit der Abschlussschicht verbunden. Die ersten Aussparungen werden mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt. In einer Weiterbildung wird das Biegeelement mittels elektrisch isolierenden Klebstoff mit der Abschlusssicht verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die lateralen Bereiche zwischen den zweiten Aussparungen mittels elektrisch isolierendem Klebstoff mit der Abschlussschicht verbunden.
In einer Weiterbildung wird der zweite Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht der Biegeelemente mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit der Auflagefläche verbunden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schallwandleranordnung mit einem Lochplattenträger, Biegeelementen, Piezoelementen und einer Abschlussschicht,
2 ein Verfahren zur Herstellung einer Schallwanderanordnung.
1 zeigt eine Schnittdarstellung in xz-Richtung einer Schallwandleranordnung 100 mit drei beispielhaft angeordneten Schallwandlereinheiten, die ein Schallwandlerarray bilden. Eine Schallwandlereinheit umfasst ein Piezoelement, dass auf ein Biegeelement aufgebracht ist. Die Verbindung des Piezoelements mit dem Biegeelement erfolgt durch einen ersten Bereich einer strukturierten leitfähigen Schicht, die auf einer Seite des Biegeelements angeordnet ist. Das Biegeelement 111 ist mittels einer elektrisch isolierenden Schicht auf einer Abschlussschicht 108 aufgebracht. Das Biegeelement 111 ist mittels eines zweiten Bereichs der elektrisch leitfähigen Schicht kontaktiert, insbesondere mit einem Lochplattenträger. Der Lochplattenträger 101 ist zusätzlich an den lateralen Bereichen zwischen den zweiten Aussparungen mit der Abschlusssicht verbunden. Diese Verbindung erfolgt mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Klebstoffs. Das Piezoelement 106 ist mittels eines Bonddrahts 113 kontaktiert. Die ersten Aussparungen 102 sind mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt. Das Dämpfungsmaterial umfasst insbesondere Silikon. Optional besteht die Abschlussschicht 108 aus mehreren Schichten. Eine der Schichten kann dabei beispielsweise Metall umfassen. Vorzugsweise wird diese Metallschicht mit einer elektrischen Masse verbunden, sodass eine EMV-Schirmung erfolgt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Metallschicht auf der Abschlussschicht 108 angeordnet.
Optional umfasst die Abschlussschicht 108 eine Folie. Die Folie weist beispielsweise Polyamid auf.
Die Biegewandler 111 und 121 umfassen einen Biegekörper, der beispielsweise Metall oder eine metallisierte Keramik aufweist. Die Dicke der Biegewandler 111 und 121 liegt vorzugsweise zwischen 100 µm und 700 µm. Das Piezoelement 106 ist leitfähig auf das Biegeelement 111 aufgeklebt. Das Piezoelement 106 trägt auf beiden Seiten eine leitfähige Metallisierung als Elektrode. Die Dicke des Piezoelements 106 beträgt 150 µm bis 700 µm, bevorzugt 200 µm bis 500 µm. Der Lochplattenträger 101 umfasst leitfähiges Material, beispielsweise Aluminium oder eine metallisierte Keramik und ist mit der elektrischen Masse der Verstärkerelektronik verbunden. Der Lochplattenträger 101 ist mechanisch steif, er trägt die Biegeelemente 106 und stellt deren Schwingungsrandeinstellung dar, sodass eine Biegeschwingung ausgebildet wird. Des Weiteren sorgt der Lochplattenträger 101 für eine mechanische Entkopplung zwischen den Wandlerelementen, das bedeutet, es erfolgt ein geringes Übersprechen zwischen den Schallwandlerelementen. Eine Dicke des Lochplattenträgers liegt zwischen einem 1 bis 10 mm.
Die Signalkontakte der Piezoelemente 106 können mit Hilfe von Drähten durchgeführt werden. Die Drähte sind dabei gebondet oder mittels Thermokompressionsschweißens oder Leitklebens verbunden.
Sowohl die Grundform der Piezoelemente 106 als auch die Grundform der Biegeelemente 110 und 121 können beliebig sein. Dabei können die Piezoelemente 106 und die Biegewandler 110 und 121 unterschiedliche Grundformen annehmen. Bevorzugt sind regelmäßige Formen wie kreisrund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig. Das Schallwandlerarray umfasst eine Anzahl von Schallwandlerelementen im Bereich von 2 bis 250, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 und kann dabei eine beliebige geometrische Grundformen annehmen, vorzugsweise linienförmig, matrixförmig oder oval. Der Abstand zwischen den piezoelektrischen Schallwandlereinheiten beträgt vorzugsweise weniger als eine halbe Luftschallwellenlänge.
2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung 100. Das Verfahren startet mit einem Schritt 200, in dem jeweils eine erste Elektrode der Piezoelemente mit jeweils einem Biegeelement 111 und 121 mittels eines ersten Bereiches einer strukturierten leitfähigen Schicht 110 verbunden wird. Die strukturierte leitfähige Schicht ist dabei auf einer Seite des Biegeelements 111 und 121 angeordnet. In einem folgenden Schritt 210 wird auf einer der strukturierten leitfähigen Schicht gegenüberliegenden Seite des Biegeelements 111 und 121 eine Abschlussschicht 108 aufgebracht. In einem folgenden Schritt 220 wird ein Lochplattenträger 101 aufgebracht. Der Lochplattenträger 101 umfasst dabei eine erste Aussparung 102 und zweite Aussparungen 103, die aneinander angrenzen und wobei sich auf der ersten Aussparung 102 Auflageflächen 104 bilden. Der Lochplattenträger 101 verbindet somit einen zweiten Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht der Biegeelemente mit den Auflageflächen 104 und laterale Bereiche zwischen den zweiten Aussparungen 103 mit der Abschlussschicht 108. In einem folgenden Schritt 230 werden die ersten Aussparungen 102 mit Dämpfungsmaterial verfüllt.
Sowohl die elektrisch isolierende Klebeschicht als auch die elektrisch leitfähige Klebeschicht kann gleichzeitig für alle Wandlerelemente über Dispensen oder Siebdruck erfolgen.
Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können beliebig kombiniert werden.
Die Schallwandleranordnungen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Parken und Manövrieren eingesetzt werden. Des Weiteren können die Schallwandleranordnungen in bewegten oder stehenden Maschinen in Logiksystemen für Lager eingesetzt werden. Sie können ebenfalls in fahrerlosen Transportsystemen, Robotern, Staubsaugern, Rasenmähern, elektrischen Rollstühlen und Zweirädern eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3920872 A1 [0002]
DE 102004047814 A1 [0003]

Claims

Schallwandleranordnung (100) umfassend • einen Lochplattenträger (101), der eine Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten ersten Aussparungen (102) umfasst und der eine gegenüberliegende Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten zweiten Aussparungen (103) umfasst, sodass jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine laterale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103) größer ist als eine laterale Ausdehnung der ersten Aussparung (102), sodass sich auf der ersten Aussparung (102) Auflageflächen (104) bilden, • mindestens zwei Biegeelemente (111, 121), wobei eine laterale Ausdehnung der Biegeelemente (111, 121) größer ist als die laterale Ausdehnung der ersten Aussparungen (102) und kleiner ist als die laterale Ausdehnung der zweiten Aussparungen (103), wobei jeweils ein Biegeelement (111, 121) innerhalb einer zweiten Aussparung (103) angeordnet ist und teilweise mit den Auflageflächen (104) elektrisch leitend verbunden ist, • mindestens zwei Piezoelemente (106, 116), wobei jeweils ein Piezoelement (106, 116) innerhalb der ersten Aussparung (102) unterhalb eines Biegeelements (111, 121) angeordnet ist und mit dem Biegeelement (111, 121) elektrisch leitend verbunden ist und • eine Abschlussschicht (108), die oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Biegeelemente (111, 121) angeordnet ist und mit dem Lochplattenträger (101) und den Biegeelementen (111, 121) verbunden ist, wobei die Abschlussschicht (108) oberhalb der Biegeelemente (111, 121) eine Membran darstellt.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) fluchtend angeordnet sind.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (108) eine elektrisch isolierende Schicht (109) aufweist, die mit den Biegeelementen (111, 121) und dem Lochplattenträger (101) verbunden ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder innerhalb der Abschlussschicht (108) eine durchgehende Metallschicht (112) angeordnet ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Biegeelement (111, 121) eine Seite mit einer strukturierten leitfähigen Schicht (110) aufweist, die einen ersten Bereich aufweist, der im Wesentlichen mittig angeordnet ist und die Piezoelemente (106, 116) elektrisch leitend kontaktiert und die einen zweiten Bereich aufweist, der lateral an den Rändern der Seite jedes Biegeelements (111, 121) angeordnet ist und das Biegeelement (111, 121) mit den Auflageflächen (104) elektrisch leitend verbindet.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Piezoelement (106, 116) eine erste Elektrode (105) aufweist, die zwischen dem Piezoelement (106, 116) und dem ersten Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht (110) angeordnet ist.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Piezoelement (106) eine der ersten Elektrode (105) gegenüberliegende zweite Elektrode (107) aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (107) mit einem Bonddraht (113) elektrisch leitend verbunden ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Aussparungen (102) mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt sind, wobei das Dämpfungsmaterial insbesondere Silikon aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochplattenträger (101) elektrisch leitfähig ist, insbesondere ein Metall oder eine metallisierte Keramik aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung (100) mit den Schritten: • Verbinden (200) jeweils einer ersten Elektrode (105) mindestens zweier Piezoelemente mit jeweils einem Biegeelement (111, 121) mittels eines ersten Bereichs einer strukturierten leitfähigen Schicht (110), die auf einer Seite des Biegeelements (111, 121) angeordnet ist, • Aufbringen (210) einer der strukturierten leitfähigen Schicht (110) gegenüberliegende Seite des Biegeelements (111, 121) auf eine Abschlussschicht (108), • Aufbringen (220) eines Lochplattenträgers (101), der eine Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten ersten Aussparungen (102) und eine gegenüberliegende Seite mit mindestens zwei beabstandet angeordneten zweiten Aussparungen (103) umfasst, wobei die ersten Aussparungen (102) und die zweiten Aussparungen (103) aneinander angrenzen, wobei eine laterale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103) größer ist als eine laterale Ausdehnung der ersten Aussparung (102), wobei sich auf der ersten Aussparung (102) Auflageflächen (104) bilden, sodass ein zweiter Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht der Biegeelemente (111, 121) mit den Auflageflächen (104) verbunden ist und laterale Bereiche zwischen den zweiten Aussparungen (103) mit der Abschlussschicht (108) verbunden sind und • Verfüllen (230) der ersten Aussparungen (102) mit Dämpfungsmaterial.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (111, 121) und die lateralen Bereiche zwischen den zweiten Aussparungen (103) mittels elektrisch isolierendem Klebstoff mit der Abschlussschicht (108) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich der strukturierten leitfähigen Schicht (110) der Biegeelemente (111, 121) mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs mit der Auflagefläche (104) verbunden wird.