DE102015224770A1

DE102015224770A1 - Schallwandleranordnung mit ringförmigen ersten Verbindungsbereichen und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung mit ringförmigen ersten Verbindungsbereichen

Info

Publication number: DE102015224770A1
Application number: DE102015224770.8A
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: WO2017097474A1; CN108367316A; EP3386648A1

Abstract

Schallwandleranordnung (100) umfassend einen Lochplattenträger (101) mit mehreren Durchgangsöffnungen (111), mehrere Piezoelemente (104), wobei jedes Piezoelement (104) eine erste Elektrode (105) und eine zweite Elektrode (106) aufweist, die erste Elektrode (105) der zweiten Elektrode (106) gegenüberliegt und jeweils ein Piezoelement (104) innerhalb einer Durchgangsöffnung (111) angeordnet ist und eine Abschlussschicht (103), wobei die Abschlussschicht (103) oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Piezoelemente (104) angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden (106) der Piezoelemente (104) mit der Abschlussschicht (103) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) und der Lochplattenträger (101) erste Verbindungsbereiche (108) aufweisen, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen (111) angeordnet sind, wobei die ersten Verbindungsbereiche (108) jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als die Durchgangsöffnungen (111) und die ersten Verbindungsbereiche (108) ringförmig ausgestaltet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schallwandleranordnung.
Das Dokument DE 39 20 872 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschall-Schichtwandlern, bei denen die Piezokeramik und thermoplastisches Kunststoffmaterial des Schichtwandlers durch Heißverkleben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung der für das Verkleben notwendigen Wärme wird in der Piezokeramik Verlustwärme durch Anlegen elektrischer Signale produziert.
In der Schrift DE 10 2004 047 814 A1 wird ein fokussierendes mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray beschrieben, das als fokussierende klinisch verwendbare Ultraschallsonde verwendet werden kann. 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.
Offenbarung der Erfindung
Die Schallwandleranordnung umfasst einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen, mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht. Jedes Piezoelement weist dabei eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die erste Elektrode liegt der zweiten Elektrode gegenüber. Innerhalb einer Durchgangsöffnung ist jeweils ein Piezoelement angeordnet. Die Abschlussschicht ist oberhalb des Lochplattenträgers und der Piezoelemente angeordnet, wobei die zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß weisen die Abschlussschicht und der Lochplattenträger erste Verbindungsbereiche auf, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen angeordnet sind, wobei die ersten Verbindungsbereiche jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als die Durchgangsöffnungen und die ersten Verbindungsbereiche ringförmig ausgestaltet sind.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Randeinspannung der Biegewandlerelemente einstellbar ist. Mit anderen Worten bestimmte schwingungsmechanische Eigenschaften der Biegewandlerelemente können eingestellt werden.
In einer Weiterbildung weisen die Abschlussschicht und der Lochplattenträger zweite Verbindungsbereiche auf, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen angeordnet sind. Dabei weisen die zweiten Verbindungsbereiche einen größeren Durchmesser auf als die ersten Verbindungsbereiche. Die zweiten Verbindungsbereiche sind ringförmig ausgestaltet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die einzelnen Biegewandlerelemente voneinander entkoppelt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die ersten Verbindungsbereiche jeweils eine Schweißnaht auf. Mit anderen Worten jeder erste Verbindungsbereich umfasst eine Schweißnaht.
Der Vorteil ist hierbei, dass die mechanische Verbindung zwischen der Abschlussschicht und dem Lochplattenträger besonders stabil und robust ist und eine hohe Qualität aufweist.
In einer Weiterbildung ist die Abschlussschicht einstückig ausgebildet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Verbund von Biegewandlerelementen komplett vor äußeren Einflüssen geschützt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Abschlussschicht mehrere Teilstücke auf, wobei jeweils ein Teilstück der Abschlussschicht mit jeweils einem Piezoelement elektrisch leitend verbunden ist. Mit anderen Worten das Teilstück, das mit dem Piezoelement elektrisch leitend verbunden ist fungiert als Membran des Biegewandlerelements.
Der Vorteil ist hierbei, dass weniger Material benötigt wird.
In einer Weiterbildung weisen die zweiten Verbindungsbereiche eine Schweißnaht auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Abschlussschicht und der Lochplattenträger einen dritten Verbindungsbereich auf. Der dritte Verbindungsbereich verbindet einen Randbereich der Abschlussschicht mit einem Randbereich des Lochplattenträgers.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der dritte Verbindungsbereich als Dichtung der gesamten Schallwandleranordnung gegenüber z. B. Feuchtigkeit und Flüssigkeiten fungiert.
In einer Weiterbildung weist der dritte Verbindungsbereich eine Schweißnaht auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung, die einen Lochplattenträger, mehrere Durchgangsöffnungen, mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht aufweist, umfasst das Verbinden von zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Kontaktieren von ersten Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden, wobei die ersten Elektroden den zweiten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind und das Verbinden der Abschlussschicht und des Lochplattenträgers mittels einer Schweißnaht. Außerdem umfasst das Verfahren das teilweise Verfüllen der Durchgangsöffnungen mit einem Dämpfungsmaterial.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Schallwandleranordnung kostenoptimiert und auf einfache Weise hergestellt werden kann.
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 erläutert. Es zeigen:
1a eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung,
1b eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Schallwandleranordnung,
2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung und
3 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung.
1 zeigt eine Schnittdarstellung in xz-Ebene der ersten Ausgestaltung einer Schallwandleranordnung 100. Die Schallwandleranordnung 100 zeigt beispielhaft drei Schallwandlerelemente bzw. Biegewandlerelemente 115, die parallel zueinander beabstandet angeordnet sind. Ein Biegewandlerelement 115 umfasst dabei ein Piezoelement 104, eine Membran 114 die mit Hilfe einer Abschlussschicht 103 gebildet wird, einen Lochplattenträger 101 und Dämpfungsmaterial. Die Schallwandleranordnung 100 umfasst einen Lochplattenträger 101, der mehrere Durchgangsöffnungen 111 bzw. Löcher aufweist. Der Lochplattenträger 101 weist dabei eine Oberseite und eine Unterseite auf, die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen 111 sind konzentrisch zu den Piezoelementen 104 angeordnet, wobei jede Durchgangsöffnung 111 jeweils ein Piezoelement 104 aufnimmt, das von der Oberseite in die Durchgangsöffnung 111 eingebracht ist bzw. mit der Oberseite bündig abschließt. Die Piezoelemente 104 weisen einen kleineren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnungen 111. Mit anderen Worten das Piezoelement 104 befindet sich innerhalb der Durchgangsöffnung 111 bzw. des Lochs. Jedes Piezoelement 104 weist eine erste Elektrode 105 und eine zweite Elektrode 106 auf. Die erste Elektrode 105 ist mittels einer Drahtverbindung beispielsweise mit einer Verstärkerschaltung verbunden und fungiert als Signalleitung bzw. Signalkontakt. Die zweite Elektrode 106 ist mittels einer Klebeschicht 107 mit der Abschlussschicht 103 elektrisch leitend verbunden. Die Abschlussschicht 103 ist mit einer elektrischen Masse, beispielsweise der Verstärkerschaltungmasse, verbunden. Das bedeutet die zweite Elektrode 105 ist geerdet, wodurch eine EMV-Schirmung erfolgt.
Alternativ können die Piezoelemente 104 über zwei Drahtverbindungen mit der elektrischen Masse und der Verstärkerschaltung elektrisch leitend verbunden werden. Dazu wird die zweite Elektrode 106 über den Rand des Piezoelements 104 umkontaktiert, sodass sich auf der Seite der ersten Elektrode 105 zwei voneinander getrennte Elektrodenbereiche befinden, die getrennt voneinander kontaktierbar sind. Die Piezoelemente 104 können hierbei mit einer elektrisch nicht leitfähigen Klebeschicht mit der Abschlussschicht 103 verbunden werden.
Jedes Biegewandlerelement 115 weist einen ersten Verbindungsbereich 108 auf, der die Randeinspannung des Biegewandlerelements 115 bzw. der Membran 114 einstellt bzw. sicherstellt. Unter dem Begriff erster Verbindungsbereich 108 werden dabei die Bereiche verstanden in denen eine mechanische Verbindung zwischen der Abschlussschicht 103 und dem Lochplattenträger 101 erfolgt. Die ersten Verbindungsbereiche 103 sind konzentrisch um die Durchgangsöffnungen 111 angeordnet und weisen einen größeren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnungen 111.
Die ersten Verbindungsbereiche 108 sind ringförmig ausgestaltet und umfassen Schweißnähte. Das bedeutet die Schweißnähte sind kreisrund und in sich geschlossen. Die Schweißnähte teilen die mit Piezoelementen 104 versehene Abschlussschicht 103 in Bereiche mit definierter schwingungsmechanischer Randeinspannung auf. Diese schwingungsfähigen Bereiche oberhalb der Durchgangsöffnungen 111 bilden die Schwingungsmembrane der einzelnen Biegewandlerelemente. Die Schweißnähte weisen einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,25 mm–0,5 mm, und einen lateralen Abstand von 0,1 mm–1,0 mm zu den Durchgangsöffnungen 111 auf.
Um die ersten Verbindungsbereiche 108 sind zweite Verbindungsbereiche 109 konzentrisch angeordnet. Dabei weisen die zweiten Verbindungsbereiche 109 einen lateralen Abstand zu den ersten Verbindungsbereichen 108 auf. Die zweiten Verbindungsbereiche 109 umfassen ebenfalls Schweißnähte. Optional können um die zweiten Verbindungsbereiche 109 weitere konzentrisch angeordnete Verbindungsbereiche vorhanden sein, die ebenfalls Schweißnähte aufweisen. Dies dient zu einer verbesserten Entkopplung zwischen zwei Schallwandlerelementen.
Im Randbereich der Abschlusschicht 103 und im Randbereich des Lochplattenträgers 101 ist ein dritter Verbindungsbereich 110 vorgesehen. Unter dem Begriff Randbereich wird hierbei ein Bereich mit einem lateraler Abstand zur Abschlussschichtaußenkante von 0,1 mm–1 mm verstanden.
Die Piezoelemente 104 weisen eine Dicke von 100 μm–750 μm auf, von 150 μm–500 μm. Der Lochplattenträger 101 weist eine Dicke von 0,5 mm–15 mm auf, vorzugsweise von 1 mm–10 mm.
Die Abschlussschicht 103 weist eine Dicke von 50 μm–750 μm auf. Die Abschlussschicht 103 ist überlackierbar und schützt die Schallwandleranordnung 100 vor Feuchtigkeit, Flüssigkeiten und mechanischen Einwirkungen. Optional kann auf der Abschlussschicht 103 eine Kunststofffolie angeordnet sein. Die Kunststofffolie ist vorzugsweise mit einem Epoxidharzkleber auf die Abschlussschicht 103 aufgeklebt. Der Epoxidharzkleber fungiert dabei zusätzlich als Toleranzausgleich für die Realisierung besonders ebener Oberflächen. Dazu kann der Epoxidharzkleber aufgerakelt werden. Die Kunststofffolie weist beispielsweise Polyimid oder einen Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff oder Kohlefasergewebe und Harz auf.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Abschlussschicht 103 Metall, z. B. Edelstahl, Stahl oder eine Aluminiumlegierung. Das bedeutet die Abschlussschicht 103 ist vollständig elektrisch leitfähig.
In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Abschlussschicht 103 Kunststoff auf, z. B. PES, PVDF, Glasfaserverbundwerkstoffe oder Kohlefaserverbundwerkstoffe, wobei die Seite der Abschlussschicht 103, die mit dem Lochplattenträger 101 verbunden wird, eine Metallschicht aufweist.
Das Dämpfungsmaterial ist vorzugsweise silikonhaltig.
Die Grundform der Piezoelemente 104, der Biegewandlerelemente 115 und der Durchgangsöffnungen 111 sind beliebig. Bevorzugt weisen sie regelmäßige Formen auf, z. B. quadratisch, rechteckig, vieleckig, kreisrund oder elliptisch. In einer Schallwandleranordnung 100 können die Grundformen der Piezoelemente 104, Biegewandlerelemente 115 und Durchgangsöffnungen 111 gleichartig oder verschieden sein.
Die Schallwandleranordnungen 100 können eine Anzahl von 2–250 Schallwandlerelementen aufweisen, bevorzugt 5–50.
1b zeigt eine Draufsicht auf die erste Ausführung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung 100. Es sind beispielhaft drei Biegewandlerelemente 115 gezeigt, die parallel bzw. in einer Linie zueinander angeordnet sind. In der Draufsicht ist die rechteckige Abschlussschicht 103 gezeigt, die die drei Piezoelemente 104 überdeckt. Des Weiteren sind der erste Verbindungsbereich 108, der die Randspannung des jeweiligen Biegewandlers einstellt, der zweite Verbindungsbereich 109, der als Entkopplung zwischen den Biegewandlern fungiert und der dritte Verbindungsbereich 110, der beispielsweise rechteckförmig ausgestaltet ist und als Dichtung der Schallwandleranordnung fungiert, dargestellt.
2 zeigt eine Schnittdarstellung in xz-Ebene der zweiten Ausgestaltung einer Schallwandleranordnung 200. Merkmale der 2, die die gleichen Merkmale wie in 1 darstellen, weisen identische hintere Stellen der Bezugszeichen wie 1 auf. In 2 weist die Abschlussschicht 203 mehrere Teilbereiche auf, wobei jeweils ein Teilbereich auf einer Durchgangsöffnung angeordnet ist und diese verschließt bzw. abschließt. Das bedeutet, die Abschlussschicht umfasst mehrere Einzelteile, die jeweils als Membran 214 fungieren, da sie oberhalb der Piezoelemente 204 angeordnet sind.
3 zeigt das Verfahren 300 zur Herstellung einer Schallwandleranordnung, die einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen, mehreren Piezoelementen und einer Abschlussschicht aufweist. Das Verfahren 300 startet mit einem Schritt 310, in dem zweite Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht verbunden werden. In einem folgenden Schritt 320 werden erste Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden elektrisch verbunden bzw. kontaktiert. Dabei liegt die erste Elektrode der zweiten Elektrode gegenüber. In einem folgenden Schritt 330 werden die Abschlussschicht und der Lochplattenträger mittels ersten Verbindungsbereichen verbunden, beispielsweise mit Schweißnähten. In einem folgenden Schritt 340 werden die Durchgangsöffnungen mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt.
Die Schallwandleranordnungen 100 und 200 finden in Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen, wie Robotern, fahrerlose Transportsysteme, Logistiksystemen in Lagern, Staubsaugern, Rasenmähern Anwendung. Des Weiteren können die Schallwandleranordnungen 100 und 200 in E-Bikes, elektrischen Rollstühlen und in Hilfsmitteln zur Unterstützung körperlich eingeschränker Personen eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Schallwandleranordnung (100) umfassend • einen Lochplattenträger (101) mit mehreren Durchgangsöffnungen (111), • mehrere Piezoelemente (104), wobei jedes Piezoelement (104) eine erste Elektrode (105) und eine zweite Elektrode (106) aufweist, die erste Elektrode (105) der zweiten Elektrode (106) gegenüberliegt und jeweils ein Piezoelement (104) innerhalb einer Durchgangsöffnung (111) angeordnet ist und • eine Abschlussschicht (103), wobei die Abschlussschicht (103) oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Piezoelemente (104) angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden (106) der Piezoelemente (104) mit der Abschlussschicht (103) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) und der Lochplattenträger (101) erste Verbindungsbereiche (108) aufweisen, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen (111) angeordnet sind, wobei die ersten Verbindungsbereiche (108) jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als die Durchgangsöffnungen (111) und die ersten Verbindungsbereiche (108) ringförmig ausgestaltet sind.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) und der Lochplattenträger (101) zweite Verbindungsbereiche (109) aufweisen, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen (111) angeordnet sind, die zweiten Verbindungsbereiche (109) einen größeren Durchmesser aufweisen als die ersten Verbindungsbereiche (108) und die zweiten Verbindungsbereiche (109) ringförmig ausgestaltet sind.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verbindungsbereiche (108) jeweils eine Schweißnaht aufweisen.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) einstückig ausgebildet ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) mehrere Teilstücke aufweist, wobei jeweils ein Teilstück der Abschlussschicht (103) mit jeweils einem Piezoelement (104) elektrisch leitend verbunden ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verbindungsbereiche (109) eine Schweißnaht aufweisen.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) und der Lochplattenträger (101) einen dritten Verbindungsbereich (110) aufweisen, der einen Randbereich der Abschlussschicht (103) mit einem Randbereich des Lochplattenträgers (101) mechanisch verbindet.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verbindungsbereich (110) eine Schweißnaht aufweist.
Verfahren (300) zur Herstellung einer Schallwandleranordnung umfassend einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen, mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht mit den Schritten: • Verbinden (310) von zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht, • Kontaktieren (320) von ersten Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden, wobei die ersten Elektroden den zweiten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind, • Verbinden (330) der Abschlussschicht und des Lochplattenträgers mittels einer Schweißnaht und • Teilweises Verfüllen (340) der Durchgangsöffnungen mit einem Dämpfungsmaterial.