DE102020121337A1

DE102020121337A1 - Piezoelektrischer Wandler und Verfahren zur Einstellung der elektromechanischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Wandlers

Info

Publication number: DE102020121337A1
Application number: DE102020121337.9A
Authority: DE
Inventors: Sandro Kappert; Stefan Sax; Dominik Taferner
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-17
Also published as: WO2022033842A2; WO2022033842A3; US20230270016A1; DE112021004244A5

Abstract

Ein piezoelektrischer Wandler (1) weist ein piezoelektrisches Element (2) und eine Verkapselung (7) auf, die das piezoelektrische Element (2) umschließt, wobei die Verkapselung (7) dazu ausgebildet ist, die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers (1) einzustellen. Beispielsweise wird die Härte eines Materials der Verkapselung (7) und/oder oder die Geometrie der Verkapslung (7) geeignet gewählt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler, der beispielsweise als Sensor für eine einwirkende Kraft und/oder Deformation verwendet werden kann. Insbesondere kann der Wandler dazu ausgebildet sein, sich bei einer einwirkenden Kraft zu deformieren, insbesondere zu verbiegen, und eine elektrische Spannung auszugeben. Alternativ kann es sich bei dem Wandler auch einen Aktuator handeln, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Deformation erfährt und damit eine Kraft nach außen abgibt.
Sensorsysteme zur Detektion mechanischer Kräfte und/oder Verformung können in diversen Applikationsfeldern eingesetzt werden, um Prozesse zu steuern und einen sicheren Prozessablauf zu gewährleisten. Eine mechanische Verformung kann beispielsweise durch einen simplen Kontakt, insbesondere eine Berührung, eine Kollision von sich bewegenden Maschinen oder Maschinenteilen oder eine Verdrehung bzw. Verdrillung am Sensorsystem entstehen. Durch den vermehrten Einsatz von autonomen Systemen und einer immer größer werdenden Automatisierung von Prozess- und Produktionsabläufen gewinnen Deformationssensoren immer mehr an Bedeutung.
Bekannt sind aktive, insbesondere piezoaktive Sensoren wie sie beispielsweise in der EP 1 301 762 B1 gezeigt werden, sowie passive, insbesondere resistive oder kapazitive Sensoren, wie sie beispielsweise in der EP 2 899 521 A1 gezeigt werden.
Zur Verbesserung derartiger Sensorsysteme, insbesondere zur Erhöhung der Signalstärke, wird beispielsweise in der US 4 634 917 A die piezoelektrische Komponente mehrlagig aufgebaut. Weiterhin kann auch die Schichtdicke eines piezoelektrischen Materials vergrößert werden. Allerdings führen derartige Maßnahmen oft zu einer signifikanten Erhöhung der Prozesskomplexität. Zudem ist es bekannt, das elektrische Signal durch elektrische Verstärkungskomponenten zu verstärkt. Oftmals führt dies aber zu einem erhöhten Einfluss von Störgrößen, beispielsweise elektromagnetischer Streuungen (EMI) aus der Umgebung und zu einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten piezoelektrischen Wandler und ein Verfahren zur Einstellung der Eigenschaften eines piezoelektrischen Wandlers anzugeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein piezoelektrischer Wandler ein piezoelektrisches Element und eine Verkapselung auf, die das piezoelektrische Element umschließt. Die Verkapselung ist insbesondere dazu ausgebildet, die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers einzustellen.
Das piezoelektrische Element weist beispielsweise als piezoelektrisches Material ein Polymermaterial auf. Das piezoelektrische Material wird beispielsweise durch ein Druck- oder Beschichtungsverfahren auf einen Träger aufgebracht. Der Träger ist beispielsweise als KunststoffTräger ausgebildet. Der Träger kann auch als Verbundwerkstoff, beispielsweise aufweisend Kunststoff und ein leitfähiges Material, ausgebildet sein. Insbesondere kann der Träger als Leiterplatte ausgebildet sein.
Das piezoelektrische Element kann auch alleinstehend angeordnet sein. Somit ist das piezoelektrische Element nicht auf einem Träger angeordnet. Beispielsweise ist ein piezoelektrisches Material als Folie, beispielsweise durch Folienziehen, ausgebildet.
Die Verkapselung kann das piezoelektrische Element und gegebenenfalls einen Träger vollständig umschließen. Beispielsweise ist die Verkapselung durch ein Vergussverfahren hergestellt. Die Verkapselung kann eine äußere Oberfläche des Wandlers bilden, auf die direkt eine Kraft von außen ausgeübt werden kann.
Ein derartiger Wandler muss bei einer zu erwartenden Kraft eine ausreichende Deformierbarkeit haben, so dass ein ausreichendes elektrisches Signal erzeugt wird. Nach Einwirkung der Kraft muss er wieder in seine Ursprungslage zurückkehren. Im Allgemeinen gilt, dass das ausgegebene Signal umso größer ist, je größer die Deformation und je mehr Volumen des piezoelektrischen Materials bei einer vorgegebenen Deformationsgeschwindigkeit deformiert wird. Durch geeignete Wahl der Verkapselung kann das deformierte Volumen des piezoelektrischen Materials bei gleicher einwirkender Kraft und/oder gleicher Verformung erhöht werden.
Insbesondere kann die Verkapselung hinsichtlich ihrer Deformierbarkeit geeignet gewählt werden. Bei Wahl eines härteren Materials der Verkapselung tritt bei gleicher Krafteinwirkung beispielsweise eine geringere maximale Deformation des piezoelektrischen Elements auf. Allerdings erstreckt sich die Deformation des piezoelektrischen Elements über ein größeres Volumen des piezoelektrischen Materials. Auf diese Weise kann für eine vorgegebene Kraft oder Deformation eine Verkapselung mit einer Deformierbarkeit bestimmt werden, bei der das vom piezoelektrischen Element erzeugte elektrische Signal maximal ist. In diesem Fall kann sowohl bei einer Erhöhung der Härte als auch bei einer Verringerung der Härte des Verkapselungsmaterials bei ansonsten gleicher Bauweise des Wandlers bei einer vorgegebenen Kraft oder Deformation eine Verringerung des vom piezoelektrischen Element ausgegebenen Signals auftreten. Somit ist die Härte der Verkapselung optimal hinsichtlich der Signalstärke gewählt.
Beispielsweise wird für die Verkapselung ein Material mit einer Shore Härte D 30 bis 40 verwendet. Es können auch weichere Materialien, beispielsweise mit einer Shore Härte ab A 30, beispielsweise im Bereich zwischen A 45 bis A 55 verwendet werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu können die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers durch die Geometrie der Verkapselung eingestellt werden.
Beispielsweise weist die Verkapselung eine gewölbte Oberfläche auf, auf die die Kraft von außen einwirkt. Das piezoelektrische Element weist beispielsweise eine plane Oberfläche auf. Durch die gewölbte Oberfläche der Verkapselung kann bei gleichbleibenden Randbedingungen eine Verformung eines größeren Volumens des piezoelektrischen Materials und damit eine Signalverstärkung erreicht werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verkapselung einen Deformationsbereich aufweisen, in dem das piezoelektrische Element angeordnet ist. Zudem kann die Verkapselung einen Stützbereich aufweisen, der den Deformationsbereich stützt. Im Stützbereich können ein oder mehrere elektronische Komponenten angeordnet sein. Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Ausgestaltung kann der Stützbereich von außen deutlich vom Deformationsbereich unterschieden werden.
Beispielsweise kann die Verkapselung eine brückenförmige Geometrie aufweisen. Auf diese Weise kann eine federnde Halterung des piezoelektrischen Elements erzielt werden. Beispielsweise weist die Verkapselung einen Deformationsbereich auf, in dem das piezoelektrische Element angeordnet ist, und einen Stützbereich auf, der den Sensorbereich stützt. Der Deformationsbereich kann einteilig mit dem Stützbereich ausgebildet sein. Die Verkapselung kann auch eine andere Geometrie aufweisen, die eine federnde Halterung des piezoelektrischen Elements gewährleistet.
Auf diese Weise kann zum einen die Deformation des piezoelektrischen Elements optimiert werden. Zudem muss das piezoelektrische Element nicht in einen zusätzlichen Halter eingespannt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Verkapselung auch einen fingerförmigen Deformationsbereich aufweisen, der von einem Stützbereich gehalten wird. Der fingerförmige Deformationsbereich kann sich nach oben hin vom Stützbereich erstrecken. In diesem Fall kann der Wandler für eine Krafteinwirkung auf eine Seitenfläche des fingerförmigen Deformationsbereichs ausgebildet sein. Die Verkapselung stellt auch hier die elektromechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements ein und kann auch die federnde Rückkehr in eine ursprüngliche Orientierung gewährleisten. Im Stützbereich können ein oder mehrere elektronische Komponenten angeordnet sein.
Insgesamt können durch eine gezielte Wahl der Materialeigenschaften der Verkapselung, wie z.B. die Härte des Materials, und/oder die Geometrie der Verkapselung die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers eingestellt werden. Dabei kann durch die Verkapselung eingestellt werden, wie stark und in welchem Umfang sich das piezoelektrische Element bei Einwirkung einer Kraft deformiert, so dass das vom piezoelektrischen Element erzeugte elektrische Signal eingestellt und insbesondere die Signalstärke erhöht wird. Somit ist es nicht notwendig, das piezoelektrische Element zu modifizieren, um eine Erhöhung der Signalstärke zu erhalten. Zudem kann eine nachgeschaltete Elektronik in Komplexität und Kosten reduziert werden und unerwünschte Wirkungen von verstärkender Elektronik, wie beispielsweise eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses, vermindert werden.
Darüber hinaus ist es auch möglich, durch eine geeignete Wahl der Verkapselung das Volumen eines piezoelektrischen Materials des piezoelektrischen Elements bei gleicher Signalstärke zu verringern.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Wandler Strukturen zur Verbesserung der mechanischen Ankopplung des piezoelektrischen Elements an die Verkapselung aufweisen.
Beispielsweise ist das piezoelektrische Element auf einem Träger angeordnet, wobei das piezoelektrische Element und der Träger von der Verkapselung umschlossen sind. Der Träger kann Strukturen aufweisen, durch die die Ankopplung zur Verkapselung verbessert wird. Die Strukturen können beispielsweise in Form von Vorsprüngen ausgebildet sein. Die Strukturen können durch eine initiale Formgebung des Trägers, durch Materialabtrag des Trägers oder durch Hinzufügen von Material zum Träger ausgebildet werden. Beispielsweise sind die Strukturen an Seitenflächen des Trägers ausgebildet, z.B. als eine Art Riffelung, oder es sind auf eine Hauptfläche des Trägers säulenartige Strukturen, beispielsweise in Form von Passstiften, ausgebildet. Es ist auch möglich, die Strukturen in Form von Löchern im Träger auszubilden, die von der Verkapselung gefüllt sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Wandler eine weitere Verkapselung auf, wobei die weitere Verkapselung einen größeren Härtegrad aufweist als die Verkapselung. Beispielsweise ist der Härtegrad der weiteren Verkapselung in Shore Härte D mindestens doppelt so groß wie der Härtegrad der Verkapselung.
Beispielsweise weist die weitere Verkapselung einen Härtegrad mit einer Shore Härte D größer als 80 auf. Die Verkapselung weist beispielsweise einen Härtegrad mit einer Shore Härte zwischen A 30 bis D 40 auf, insbesondere zwischen A 35 bis D 40 auf.
Die weitere Verkapselung umschließt beispielsweise ein oder mehrere elektronische Komponenten und kann zum Schutz der Komponenten vor zu starker mechanischer Deformation ausgebildet sein. Die elektronischen Komponenten sind mit dem piezoelektrischen Element verbunden und dienen insbesondere zur Verarbeitung des vom piezoelektrischen Elements erzeugten Signals. Die vorgehend beschriebene Verkapselung kann die weitere Verkapselung vollständig umschließen.
Die weitere Verkapselung kann beispielsweise auch eine Schnittstelle der elektronischen Komponenten zu einer elektrischen Verbindung, beispielsweise eines Verbindungsdrahtes oder einer Leiterbahn, umschließen. Beispielsweise umschließt die weitere Verkapselung bereichsweise auch einen Träger, insbesondere wenn die elektronische Komponente auf dem Träger angeordnet ist. Allerdings sollte die weitere Verkapselung nicht einen zu großen Bereich des Trägers umschließen, so dass sie nicht zu stark eine Deformation des piezoelektrischen Elements behindert.
Die weitere Verkapselung kann wie die vorgehend beschriebene Verkapselung in einem Vergussverfahren aufgebracht sein. Beispielsweise werden zuerst die ein oder mehreren elektronischen Komponente elektrisch mit dem piezoelektrischen Element verbunden und danach die weitere Verkapselung um die elektronischen Komponenten aufgebracht. Anschließend wird die vorgehend beschriebene Verkapselung um ausgebildet, insbesondere um die weitere Verkapselung und das piezoelektrische Element herum aufgebracht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Einstellung elektromechanischer Eigenschaften eines Wandlers angegeben. Insbesondere kann es sich um den vorgehend beschriebenen Wandler handeln, der alle vorgehend beschriebenen Eigenschaften aufweisen kann.
Es wird ein piezoelektrisches Element bereitgestellt. Das piezoelektrische Element kann auf einem Träger angeordnet sein oder trägerfrei ausgebildet sein. Es können auch ein oder mehrere elektronische Komponenten bereitgestellt und mit dem piezoelektrischen Element elektrisch verbunden werden.
Danach werden das piezoelektrische Element und gegebenenfalls der Träger und gegebenenfalls die elektronischen Komponenten von einer Verkapselung umgeben. Insbesondere kann die Verkapselung in einem Vergussverfahren ausgebildet werden.
Optional kann vor dem Vergießen mit der Verkapselung eine weitere Verkapselung um die ein oder mehreren elektronischen Komponenten ausgebildet werden. Auch diese Verkapselung kann in einem Vergussverfahren ausgebildet werden. Beim Ausbilden der weiteren Verkapselung können die ein oder mehreren elektronischen Komponenten bereits mit dem piezoelektrischen Element verbunden sein.
Anschließend wird eine Kraft auf den Wandler ausgeübt. Beispielsweise wird eine vorgegebene Kraft oder vorgegebene Deformation über einen vorgegebenen Zeitverlauf ausgeübt. Dabei wird ein vom Wandler aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugtes elektrisches Signal gemessen. Dann wird ermittelt, ob das gemessene elektrische Signal einen gewünschten Wert aufweist. Beispielsweise kann der gewünschte Wert eine ausreichend hohe Signalstärke sein. Der gewünschte Wert kann auch ein Maximum in der Signalstärke sein, wenn mehrere Messwerte gleich aufgebauter Wandler mit Verkapselung unterschiedlicher Härtegrade vorliegen.
Abhängig davon, ob der gemessene Wert einem gewünschten Wert entspricht oder nicht, werden weitere Wandler wie nach den vorgehend beschriebenen Schritten hergestellt, wobei sich die Wandler lediglich in der Verkapselung, insbesondere im Härtegrad der Verkapselung, unterscheiden.
Beispielsweise wird eine bestimmte Materialklasse für eine Verkapselung gewählt, wie z.B. ein vernetztes Polymer wie Polyurethan. Das Polymer weist eine Hauptgruppe auf und wird durch Ausbildung von Seitenketten durch die Reaktion mit weiteren Monomeren vernetzt. Durch eine Erhöhung des Vernetzungsgrads kann die mechanische Festigkeit des Materials erhöht werden. Durch eine Modifikation des Ausgangspolymers können mehr Seitenketten ausgebildet und der Vernetzungsgrad erhöht werden.
Die Schritte werden beispielsweise so oft wiederholt, bis ein Härtegrad gefunden ist, bei dem das gemessene Signal einen gewünschten Wert aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Wandler angegeben, der ein piezoelektrisches Element und eine Verkapselung aufweist, die das piezoelektrische Element umschließt. Die Verkapselung weist einen Deformationsbereich auf, in dem das piezoelektrische Element angeordnet ist, und einen Stützbereich auf, der den Deformationsbereich stützt. Der Wandler kann alle Eigenschaften der vorgehend beschriebenen Wandler aufweisen. Die Verkapselung kann, aber muss nicht, dazu ausgebildet sein, die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers einzustellen.
Beispielsweise weisen der Deformationsbereich und der Stützbereich der Verkapselung von außen deutlich unterscheidbare Geometrien auf. Im Stützbereich können ein oder mehrere elektronische Komponenten angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Verkapselung eine wie oben beschriebene brückenförmige Geometrie aufweisen und/oder einen fingerartigen Deformationsbereich aufweisen.
Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere Aspekte, insbesondere Bauelemente und Verfahren. Die für einen der Aspekte beschriebenen Ausführungsformen gelten entsprechend auch für den anderen Aspekt.
Zudem ist die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers in schematischer Schnittansicht,
2 eine Prinzipbild einer Signalerzeugung in einem piezoelektrischen Wandler,
3a, 3b den piezoelektrischen Wandler aus 1 bei Einwirkung einer Kraft in schematischer Schnittansicht und in schräger Aufsicht,
4a, 4b zum Vergleich einen anderen piezoelektrischen Wandler bei Einwirkung einer Kraft in schematischer Schnittansicht und in schräger Aufsicht,
5 eine Messkurve einer ausgegebenen Spannung bei Krafteinwirkung über einen vorgegebenen Zeitraum für Wandler mit Verkapselungen unterschiedlicher Härtegrade,
6A eine Ausführungsform eines Trägers für einen Wandler in Aufsicht,
6B eine Ausführungsform eines Wandlers mit dem in 6A gezeigten Träger in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Ansicht,
7A eine Ausführungsform eines Trägers für einen Wandler in Aufsicht,
7B eine Ausführungsform eines Wandlers mit dem in 7A gezeigten Träger in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Ansicht,
8 eine Messkurve einer ausgegebenen Spannung bei Krafteinwirkung über einen vorgegebenen Zeitraum für Wandler mit einem Träger mit bzw. ohne Strukturen zur mechanischen Kopplung zur Verkapselung,
9 eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers in schematischer Schnittansicht,
10 Ausführungsformen eines piezoelektrischen Wandlers in dreidimensionaler Ansicht,
11 eine Ausführungsform eines Wandlers in seitlicher Ansicht,
12 eine Ausführungsform eines Wandlers in dreidimensionaler Ansicht,
13 ein Verfahren zur Einstellung der elektromechanischen Eigenschaften eines Wandlers in einem schematischen Ablaufdiagramm.

Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
1 zeigt eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers 1 in schematischer Schnittansicht. Es handelt sich insbesondere um einen Sensor zur Detektion einer mechanischen Krafteinwirkung. Beispielsweise handelt es sich um einen Wandler, der dazu ausgebildet ist, sich bei Krafteinwirkung zu verformen, insbesondere zu verbiegen, und ein elektrisches Signal abhängig von der Verformung auszugeben.
Der Wandler 1 weist ein piezoelektrisches Element 2 auf. Das piezoelektrische Element 2 weist ein piezoelektrisches Material 3 auf, das zwischen zwei Elektroden 4, 5 angeordnet ist. Das piezoelektrische Material 3 und die Elektroden 4, 5 sind schichtförmig ausgebildet.
Beispielsweise weist das piezoelektrische Material 3 ein Polymer auf oder besteht, zumindest größtenteils, aus einem Polymer. In Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material 3 auch als Keramik ausgebildet sein. Insgesamt sind Polymer-Materialien flexibler als Keramik-Materialien und deshalb besser deformierbar. Auch muss bei Keramik-Materialien oftmals aufgrund ihrer Sprödigkeit eine zu große Biegungsdeformation vermieden werden. Allerdings ist die Signalstärke von Polymer-Materialien meist geringer als von Keramik-Materialien.
Als Polymer-Material eignet sich beispielsweise ein ferroelektrisches Polymer wie z.B. PVDF und seine Copolymere. Beispielsweise handelt es sich um PVDF:TrFE. Als Elektrodenmaterialien eignen sich beispielsweise PEDOT:PSS, Carbon, Ag, Cr oder Ni.
Das piezoelektrische Element 2 ist vorliegend auf einem Träger 6 angeordnet. Das piezoelektrische Material 3 wird beispielsweise in einem Beschichtungs- oder Druckverfahren auf den Träger 6 aufgebracht. Insbesondere kann es sich um ein Schleuderbeschichtungsverfahren („spin coating“) oder um ein Siebdruckverfahren handeln. Es ist auch möglich, das piezoelektrische Material 3 als gezogene Folie herzustellen. In diesem Fall ist ein Träger 6 nicht unbedingt notwendig. Das piezoelektrische Element 2 kann auch mehrlagig aufgebaut sein, also mehrere Lagen aus piezoelektrischem Material 3 und Elektroden 4, 5 aufweisen.
Die Elektroden 4, 5 können beispielsweise durch ein Beschichtungsverfahren, beispielsweise ein CVD- oder PVD-Verfahren auf das piezoelektrische Material 3 aufgebracht sein.
Der Träger 6 ist vorliegend in Form einer Platte ausgebildet. Der Träger 6 weist ein isolierendes Material auf. Beispielsweise weist der Träger 6 als Material Polyimid auf oder besteht aus Polyimid. Der Träger 6 kann als Platine ausgebildet sein, die Leiterbahnen aufweist. Auf dem Träger 6 können zusätzlich auch ein oder mehrere elektronische Komponenten 25 angeordnet sein (siehe z.B. 9).
Das piezoelektrische Element 2 und der Träger 6 sowie optional vorhandene elektronische Komponenten sind von einer Verkapselung 7 umgeben. Die Verkapselung 7 weist als Material beispielsweise Polyurethan, Epoxidharz, Silikon, Kautschuk, Polybutadien oder ein thermoplastisches Elastomer auf. Die Verkapselung 7 ist beispielsweise als Vergussmaterial ausgebildet. Dazu wird das piezoelektrische Element 2 mit Träger 6 und optional vorhandenen elektronischen Komponenten in einer Form positioniert und anschließend das Vergussmaterial durch ein Vergussverfahren, beispielsweise durch Spritzguss, Überspritzen („overmoulding“) oder einer definierten Abgabe einer Flüssigkeit („dispensing“) um den Verbund aufgebracht.
Die Verkapselung 7 kann das piezoelektrische Element 2, den Träger 6 und die optional vorhandenen elektronischen Komponenten 25 vollständig umschließen. Die Verkapselung 7 kann dazu ausgebildet sein, dass eine äußere Kraft direkt auf die Verkapselung 7 einwirkt. Insbesondere umschließt die Verkapselung 7 den Verbund aus piezoelektrischen Element 2 und Träger 6 vollständig an der Oberseite 8, also an der dem Träger 6 abgewandten Seite. Zudem sind auch die Längs- und Breitseiten von der Verkapselung 7umschlossen sind.
Die Verkapselung 7 ist zur Einstellung der elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers 1 ausgebildet. Dabei kann insbesondere der Härtegrad der Verkapselung 7 derart gewählt werden, dass eine optimale Signalstärke des piezoelektrischen Elements 2 erzielt wird. Einerseits sollte die Verkapselung 7 ausreichend flexibel sein, so dass sie eine Verformung, insbesondere eine Verbiegung des Wandlers 1 zulässt.
Andererseits kann durch die Wahl des Härtegrades der Verkapselung 7 das Volumen eines deformierten Bereichs des piezoelektrischen Elements 2 und insbesondere des piezoelektrischen Materials 3 bei Einwirkung einer Kraft eingestellt werden. Insbesondere kann bei einer Erhöhung des Härtegrades ein größeres Volumen des piezoelektrischen Elements 2 „aktiviert“, insbesondere verformt, werden und so zum erzeugten elektrischen Signal beitragen. Die Verkapselung 7 kann derart gewählt werden, dass die Signalstärke optimiert ist, also beispielsweise bei Veränderung des Härtegrads der optimalen Verkapselung keine weitere Verbesserung in der Signalstärke erhalten werden kann. Der Einfluss der Verkapselung 7 auf das „aktivierte“ Volumen wird in den 3A bis 4B im Detail erläutert.
Zusätzlich dazu kann die Verkapselung 7 auch einen Schutz vor mechanischen oder chemischen Einflüssen von außen bereitstellen.
2 zeigt ein Prinzipdiagramm der in einem Wandler 1, beispielsweise des Wandlers 1 aus 1, erzeugten und verarbeiteten Signale S, S' bei Nutzung des Wandlers 1 als Sensor.
Der Wandler 1 weist das piezoelektrische Element 2 auf, das sich bei Einwirkung einer äußeren Kraft F verformt. Insbesondere kann der Wandler 1 für eine Verbiegung des piezoelektrischen Elements 2 ausgebildet sein.
Das mechanische Eingangssignal, insbesondere eine Kraft F, wird vom piezoelektrischen Element 2 aufgrund des piezoelektrischen Effekts in ein elektrisches Signal S umgewandelt, so dass eine elektromechanische Umwandlung stattfindet. Es kann sich hier beispielsweise um eine erzeugte Spannung oder um einen erzeugten Stromfluss handeln.
Das vom piezoelektrischen Wandler 2 ausgegebene Signal S kann dann über eine elektrische Schnittstelle, z.B. eine Leiterbahn oder einen Draht, an elektronische Komponenten 25 (siehe z.B. 9) übertragen und geeignet verarbeitet werden. Beispielsweise findet hier eine analoge-digitale Signalumwandlung statt und/oder eine Verstärkung und/oder Filterung des Signals S.
Das so verarbeitete Signal S' wird dann nach außen in ein übergeordnetes Steuer- und/oder Regelungssystem abgegeben. Es ist auch möglich, dass der Wandler 1 keine weiteren elektronischen Komponenten 25 aufweist, so dass direkt das Signal S nach außen abgegeben wird.
Es gilt nun, den Wandler 1 durch geeignete Wahl der Verkapselung 7 so einzustellen, dass das zu erwartende physikalische Inputsignal, also ein erwarteter Wert einer Kraft F oder ein erwarteter Wert einer Deformation, zuverlässig detektiert werden kann und ein möglichst großes Signal S' am Ausgang des piezoelektrischen Elements 2 erzeugt. Hierbei ist auch ein erwarteter zeitlicher Verlauf der Kraft und/oder Deformation vorgegeben.
Bei geeigneter Wahl der Verkapselung 7 kann dabei die benötigte Signalqualität erhalten werden, ohne dass der Aufbau des piezoelektrischen Elements 2 verändert werden muss. Zudem kann die elektronische Verstärkung des vom piezoelektrischen Element 2 erzeugten Signals S vermindert werden und es können damit die bei einer elektronischen Verstärkung auftretenden Probleme des Rauschens und der damit verminderten Signalqualität reduziert werden. Somit kann durch geeignete Wahl der Verkapselung 7 das vom Wandler 1 ausgegebene Signal S' signifikant erhöht werden, wobei die Anforderungen an die Elektronik bei gleicher Sensitivität reduziert werden können.
Die 3A, 3B zeigen schematisch das Verhalten eines Wandlers 1 mit Verkapselung 7, insbesondere des Wandlers 1 aus 1. Der Wandler 1 kann mit oder ohne Träger 6 ausgebildet sein.
In 3A ist schematisch das piezoelektrische Element 2 gezeigt, das in einer Verkapselung 7 eingekapselt ist. Der Wandler 1 kann auch weitere Elemente aufweisen. In 3B ist aus Gründen der Darstellung lediglich das piezoelektrische Element 2 gezeigt, die vorhandene Verkapselung 7 ist hier nicht dargestellt.
Die 4A, 4B zeigen zum Vergleich das Verhalten eines Wandlers 17 ohne Verkapselung 7. Es kann auch eine Verkapselung 7 mit einem wesentlich geringeren Härtegrad, also einer höheren Deformierbarkeit, als in 3A vorhanden sein.
Beispielhaft sind in den 3A, 3B, 4A, 4B die Funktionsweise der Wandler 1, 17 bei einer einseitigen Einspannung eines Endes 13 gezeigt. Bei Einwirkung einer Kraft F biegt sich somit der Wandler mit seinem freien Ende 14 nach unten hin. Der Wandler 1, 17 kann beispielsweise auch beidseitig eingespannt sein.
Bei beiden Wandlern 1, 17 tritt bei Einwirkung einer äußeren Kraft F auf den Wandler 1, 17 eine Verformung auf, insbesondere ein Verformung des piezoelektrische Materials 3. Aufgrund der Deformation und der dadurch erzeugten mechanischen Spannung innerhalb des piezoelektrischen Materials 3 entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 4, 5.
Das piezoelektrische Material 3 verformt sich vorliegend am stärksten in einem Mittelbereich 15. Somit liegt im Mittelbereich 15 der aktive Bereich 16 des Wandlers 1, in dem der Hauptteil des elektrischen Signals erzeugt wird. Außerhalb des Mittelbereichs 15 ist der Wandler 1 aufgrund der geringen Deformation passiv und trägt nur wenig zum ausgegebenen Signal bei.
Wie in einem Vergleich der 3A mit 4A und 3B mit 4B zu sehen ist, ist der aktive, also verformte Bereich 16 des Wandlers 1 aus 3A deutlich größer als der aktive Bereich 16 des Wandlers 17. Somit bewirkt die Verkapselung 17, dass sich bei einer Einwirkung einer Kraft F die mechanischen Spannungen auf einen größeren Bereich übertragen und damit ein größeres Volumen des piezoelektrischen Materials 3 deformiert wird. Dies kann zu einer Vergrößerung des ausgegebenen Signals führen.
Es gilt nun, das Material der Verkapselung 7 und insbesondere dessen Härtegrad derart einzustellen, dass eine zu erwartende Kraft sicher detektiert werden kann und zudem ein möglichst großes Volumen als aktiver Bereich 16 fungiert. Auf diese Weise kann das ausgegebene Signal optimiert werden.
Insbesondere bei einem vorgegebenen Verformungsweg, also z.B. dem Weg des freien Endes 14 bei Einwirkung einer Kraft F, kann das Signal vergrößert werden. Bei einem vorgegebenen Wert der Kraft F ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei einer Steigerung des Härtegrades eine geringere Deformation stattfindet, also das freie Ende nicht so stark nach unten gedrückt wird, was wieder zu einer Signalverminderung führen kann.
5 zeigt Messkurven erzeugter Spannungen U bei Einwirkung einer Kraft F über eine Zeit T für Wandler 1 mit unterschiedlichen Verkapselungen 7. Die Wandler 1 sind beispielsweise wie in 1 gezeigt ausgebildet.
Bei der Messkurve 18 wurde ein weicheres Verkapselungsmaterial mit einer Shore Härte A von 45 bis 55 verwendet. Bei der Messkurve 19 wurde ein härteres Verkapselungsmaterial mit einer Shore Härte D von 30 bis 40 verwendet. Die Messwerkzeuge und Prüfbedingungen für die Messung der Shore Härten A bzw. D sind etwas unterschiedlich. Insgesamt wird die Shore A-Methode für weichere Materialien und die Shore D-Methode für härtere Materialien verwendet. Es kann ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen den Messwerten nach Shore A und Shore D hergestellt werden. Hiernach entspricht 50 Shore A annähernd 10 Shore D.
Als Materialien kommen die zu 1 beschriebenen Materialien in Frage, wobei der Härtegrad durch die genaue Zusammensetzung geeignet eingestellt werden kann.
Abgesehen von der Verkapselung 7 waren die vermessenen Wandler 1 baugleich ausgebildet. Insbesondere waren die Wandler 1 wie folgt ausgebildet, wobei die Länge die Ausdehnung von einem Ende 13 zum anderen Ende 14 angibt, wie in 1 eingezeichnet. Die Breite gibt die Ausdehnung des Wandlers 1 in einer Richtung senkrecht zur Längenrichtung und senkrecht zur Kraftrichtung F an. Die Dicke bzw. Höhe gibt eine Ausdehnung in Stapelrichtung des piezoelektrischen Materials 3 auf dem Träger 6 an, gleichbedeutend mit der Kraftrichtung in 1.
Ausgestaltung des Verbunds aus Träger und piezoelektrischem Element:

- Länge: 20 mm
- Breite: 10 mm
- piezoelektrisches Material: Polymermaterial, PVDF:TrFE; 10 µm dick; durch Siebdruck auf Träger aufgebracht
- Elektrodenmaterial: PEDOT:PSS
- Trägermaterial: Polyimid; 75 µm dick

Ausgestaltung der Verkapselung (Außenmaße):

- Länge 44 mm
- Breite 13 mm
- Höhe 5 mm
- Material bei 18: Shore Härte D 30 bis 40
- Material bei 19: Shore Härte A 45 bis 55

Beide Wandler 1 wurden in einem Teststand mit gleicher Verformungsgeschwindigkeit über den gleichen Verformungsweg verformt. Die Verformungsgeschwindigkeit betrug 0,4 m/s und der Verformungsweg 4 mm. Die Wandler 1 wurden einseitig eingespannt, mit einer Fläche von 15 mm x 10 mm.
Wie zu sehen ist, ist die erzeugte Spannung bei dem härteren Verkapselungsmaterial 19 deutlich größer als bei dem weicheren Verkapselungsmaterial 18. Die Spannung ist insbesondere an ihrem Maximum um circa einen Faktor 3 größer.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass beim härteren Verkapselungsmaterial 19 ein größeres Volumen des piezoelektrischen Materials 3 verformt wird, also der aktive Bereich 16 größer ist als bei dem weicheren Verkapselungsmaterial 18. Dies ist ähnlich wie bei einem Vergleich der aktiven Bereiche 16 in den 3A, 3B und den 4A, 4B.
Prinzipiell ist bei der Optimierung der Einstellungen zu berücksichtigen, dass bei einem härteren Material bei vorgegebener Kraft anstatt vorgegebenem Deformationsweg eine geringere maximale Deformation des Wandlers 1 stattfindet, allerdings die Deformation ein größeres Volumen des Wandlers 1 betrifft.
Um den gewünschten Effekt einer Signalverstärkung durch die Verkapselung 7 zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, eine Verkapselung 7 zu wählen, deren Flexibilität in einem ähnlichen Bereich wie die Flexibilität des piezoelektrischen Elements 2 bzw. des Verbunds aus piezoelektrischem Element 2 und Träger 6 liegt. Ein ähnlicher Bereich liegt beispielsweise in einem Bereich mit einer Abweichung von +/-50 %. Eine derartige Verkapselung kann auch als Ausgangspunkt bei einer Optimierung gewählt werden und es kann sich im Laufe der Optimierung herausstellen, dass eine größere Abweichung von Vorteil ist. Beispielsweise kann hier zur Bestimmung der Flexibilität das Elastizitätsmodul herangezogen werden. Das Elastizitätsmodul gibt an, bei welcher aufgebrachten mechanischen Spannung ein Material sich verformt.
Beispielsweise weist ein Wandler 1 aufweisend ein piezoelektrisches Element 2 mit einer Keramik, wie z.B. PZT auf einem Aluminiumträger, eine wesentlich höhere mechanische Festigkeit auf, als ein Sensor aufweisend ein piezoelektrisches Element mit einem Kunststoff, z.B. PVDF:TrFE auf einem Polyimid-Träger. Die Elastizitätsmodule für ein piezoaktives Polymer wie z.B. PVDF:TrFE liegen bei 3 bis 10 GPa und für einen Träger aus Kunststoff wie z.B. Polyimid bei 3GPa. Im Vergleich dazu liegen die Elastizitätsmodule für eine piezoelektrische Keramik wie z.B. PZT bei 55 bis 70 GPa und für einen Aluminium-Träger bei 70 GPa.
Durch die gezeigte Verstärkung des erzeugten Signals bei geeigneter Wahl der Verkapselung 7 kann beispielsweise eine geringere Schichtdicke des piezoelektrischen Materials 3 oder ein einlagiger statt ein mehrlagiger Aufbau des piezoelektrischen Elements 2 ausreichend sein. Somit können Herstellungsverfahren vereinfacht und Kosten gespart werden.
Darüber hinaus kann die Verkapselung 7 zusätzlich zur Signalverstärkung auch die elastische Verformung des piezoelektrischen Elements 2 gewährleisten, so dass das piezoelektrische Element 2 nach Krafteinwirkung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dies ist insbesondere bei piezoelektrischen Elementen 2 von Vorteil, bei denen das piezoelektrische Material 3 als eigenständige Folie ausgebildet ist, d.h., ohne einen zusätzlichen Träger.
Zusätzlich oder alternativ zur Wahl des Materials der Verkapselung 7 kann auch eine veränderte mechanische Ankopplung des piezoelektrischen Elements 2 an die Verkapselung 7 zu einer Optimierung des ausgegebenen Signals S verwendet werden. Insbesondere ist dies durch eine Veränderung der Form des Trägers 6 möglich, wie beispielsweise in den folgenden Ausführungsformen gezeigt ist.
6A zeigt eine Aufsicht auf einen Träger 6 für ein piezoelektrisches Material 3 in einem Wandler 1 wie z.B. aus 1, bei dem Strukturen 20 zur Verbesserung der Ankoppelung an eine Verkapselung 7 vorgesehen sind. Somit kann der Träger 6 und damit das piezoelektrische Material 3 besser der Verformung der Verkapselung 7 folgen, d.h., die mechanischen Spannungen der Verkapselung 7 werden besser auf den Träger 6 übertragen.
Die Strukturen 20 sind vorliegend als Einkerbungen an Seitenflächen, insbesondere an Längsseiten 9, 10 ausgebildet. Die Strukturen 20 sind teilweise auch an den Breitseiten 11, 12 vorhanden. Die Strukturen 20 sind insbesondere direkt im Material des Trägers 6 eingebracht.
6B zeigt einen Wandler 1 mit Verkapselung 7, bei dem der Träger 6 Strukturen 20 zur Verbesserung der Ankopplung an die Verkapselung 7 aufweist. Vorliegend sind die Strukturen an den Längsseiten 9, 10 ausgebildet. Es können aber auch zusätzlich oder alternative Strukturen 20 an den Breitseiten 11, 12 ausgebildet sein. Die Strukturen 20 sind beispielsweise mechanisch durch Materialabtrag in den Träger 6 eingebracht.
7A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Trägers 6 mit Strukturen 20 zur Verbesserung der mechanischen Ankopplung an die Verkapselung 7. Im Unterschied zu 6A sind hier die Strukturen 20 an der Oberseite 23 des Trägers 6 ausgebildet.
Zudem sind die Strukturen 20 durch Hinzufügung von Material auf den Träger 6 gebildet. Vorliegend sind die Strukturen 20 stiftförmig ausgebildet. Die Strukturen 20 können das gleiche Material wie der Träger 6 aufweisen. Die Strukturen können in Form von Einpass-Elementen ausgebildet sein und in Löcher im Träger 6 eingepasst sein. Die Strukturen 20 können auch integral mit dem Träger 6 ausgebildet sein oder mit dem Träger 6 durch Kleben befestigt sein. Es ist auch möglich, keine Einpass-Elemente in die Löcher einzufügen, so dass die Löcher von der Verkapselung 7 gefüllt sind. Auch in diesem Fall kann eine innigere Verbindung des Trägers 6 mit der Verkapselung 7 erzielt werden.
Die Strukturen 20 sind in ihrem gesamten Innenvolumen mit einem isolierenden Material ausgefüllt, umschließen somit keine anderen Komponenten wie z.B. elektrische Komponenten. Somit sind die Strukturen 20 lediglich zur Verbesserung der Ankopplung an die Verkapselung 7 hinzugefügt und haben keine Doppelfunktion wie z.B. die Verkapselung einer elektrischen Komponente.
Insgesamt bieten die Strukturen 20 eine innigere Verbindung des Trägers 6 mit der Verkapselung 7, so dass der Träger 6, und damit auch das piezoelektrische Element 2, bei einer Verformung der Verkapselung 7 möglichst gut mitverformt wird.
7B zeigt einen Wandler 1 mit Verkapselung 7, bei dem der Träger 6 Strukturen 20 gemäß 7A zur Verbesserung der Ankopplung an die Verkapselung 7 aufweist.
8 zeigt Messkurven erzeugter Spannungen U bei Einwirkung einer Kraft F über eine Zeit T für Wandler 1 mit und ohne Strukturen 20 zur verbesserten Ankopplung an die Verkapselung 7. Die Wandler 1 sind wie bei den Messkurven in 5 ausgebildet, wobei vorliegend ein Verkapselungsmaterial mit einer Shore Härte A 45 bis 55 verwendet wurde. Die Messkurve 21 wurde bei einem Wandler 1 ohne Strukturen erhalten, die Messkurve 22 bei einem Wandler mit den Löchern gemäß den 7A, 7B, allerdings ohne die säulenförmigen Strukturen 20.
Wie aus den Messkurven 22, 21 zu entnehmen ist, wird vorliegend durch das Einbringen derartiger Strukturen 20 eine Erhöhung der maximalen Spannung U um ca. 10% erreicht.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers 1. Der Wandler 1 weist neben der Verkapselung 7 eine weitere Verkapselung 24 auf. Während die Verkapselung 7 das piezoelektrische Element 2 und den Träger 6 vollumfänglich umschließt und so die äußere Oberfläche des Wandlers 1 bildet, ist die weitere Verkapselung 24 innerhalb der Verkapselung 7 angeordnet. Insbesondere wird die weitere Verkapselung 24 von allen Seiten von der Verkapselung 7 umschlossen.
Die weitere Verkapselung 24 ist vorliegend dazu ausgebildet, ein oder mehrere elektronische Komponenten 25 zu verkapseln, insbesondere um sie vor mechanischen oder chemischen Einflüssen zu schützen. Die elektronische Komponente 25 ist elektrisch mit dem piezoelektrischen Element 2 verbunden, insbesondere mit den Elektroden 4, 5. Beispielsweise ist die elektronische Komponente 25 über Leiterbahnen des Trägers 6 mit den Elektroden 4, 5 verbunden. Die elektronische Komponente 25 ist beispielsweise mit einem Leitkleber am Träger 6 befestigt. Es ist auch möglich, die elektronische Komponente 25 direkt am piezoelektrischen Element 2 zu befestigen. Auch hier kann der Wandler 1 auch ohne Träger 6 ausgebildet sein. Es ist auch eine Befestigung über Drähte möglich.
Beispielsweise handelt es sich bei wenigstens einen elektronischen Komponente 25 um eine Komponente zur Signalverarbeitung, wie z.B. Verstärkung, Filterung oder Digitalisierung des Signals. Insbesondere kann das im piezoelektrischen Element 2 erzeugte Signal von der elektronischen Komponente 25 verarbeitet werden und dann nach außen, beispielsweise an ein übergeordnetes Regel- bzw. Steuerungssystem, als Ausgangssignal abgegeben werden.
Die elektronische Komponente 25 ist vorliegend nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch mit dem piezoelektrischen Element 2 verbunden. Insbesondere ist die elektronische Komponente 25 auf dem Träger 6 angeordnet und ist damit bei einer Deformation des Trägers 6 ebenfalls mechanischen Spannungen ausgesetzt. Auch bei anderen Anordnungen können sich mechanische Spannungen an die elektronische Komponente 25 übertragen beispielsweise auch durch das Verkapselungsmaterial 7. Auch die elektromechanische Verbindungsstelle zwischen der elektronischen Komponente 25 und dem Träger 6 und/oder dem piezoelektrischen Element 2 ist vorliegend von der Verkapselung 7 umschlossen.
Die weitere Verkapselung 24 ist beispielsweise weniger flexibel ausgebildet als die Verkapselung 7. Beispielsweise kann die weitere Verkapselung 24 eine Shore Härte D > 80 aufweisen und die Verkapselung 7 kann eine Shore Härte D 30 bis 40 aufweisen. Die weitere Verkapselung 7 kann auch noch weicher ausgebildet sein, beispielsweise mit einer Shore Härte A größer gleich 30. Als Material für die weitere Verkapselung 24 wird beispielsweise ein Epoxidharz oder Polyurethan verwendet. Als Material für die Verkapselung 7 wird beispielsweise das zu 1 beschriebene Material verwendet. Der Härtegrad des jeweiligen Materials kann durch die genaue chemische Zusammensetzung eingestellt werden.
Wie in 9 zu sehen, ist die elektronische Komponente 25 nur bereichsweise auf dem Träger 6 angeordnet und steht über den Träger 6 über. Insbesondere steht die elektronische Komponente 25 mit dem Großteil ihres Volumens seitlich über den Träger 6 hinaus. Somit ist die direkte Kopplung der elektronischen Komponente 25 mit dem Träger 6 geringer und der Träger 6 muss nicht auf die Größe der elektronischen Komponente 25 zugeschnitten sein. Die weitere Verkapselung 24 kann den Träger 6 in Breitenrichtung vollständig umschließen oder auch nur die elektrische Komponente 25 umschließen, so dass in Breitenrichtung hinter und/oder vor der elektronischen Komponente 25 der Träger 6 nur von der Verkapselung 7, jedoch nicht von der weiteren Verkapselung 24 bedeckt ist.
10 zeigt Ausführungsformen eines piezoelektrischen Wandlers 1 von außen. Die Wandler 1 können jeweils wie in den vorhergehenden Figuren ausgebildet sein.
Die Wandler 1 weisen jeweils eine kreisförmige Grundfläche auf. Entsprechend weist auch das jeweilige piezoelektrische Element 2 und der optional vorhandene Träger 6 eine kreisförmige Grundfläche auf. Die Wandler 1 sind für die Einwirkung einer äußeren Kraft F von oben ausgebildet.
Beispielsweise weist der links abgebildete kleinere Wandler 1 eine Verkapselung 7 mit einem Außendurchmesser von 18 mm und einer Höhe von 6 mm auf. Der rechts abgebildete größere Wandler 1 weist beispielsweise eine Verkapselung 7 mit einem Außendurchmesser von 80 mm und einer Höhe von 30 mm auf.
Das in der Verkapselung 7 angeordnete piezoelektrische Element oder eines Verbundes aus Träger und piezoelektrischem Element weist bei dem kleineren Wandler 1 beispielsweise einen Durchmesser von 15 mm und bei dem größeren Wandler 1 beispielsweise einen Durchmesser von 70 mm auf.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers 1 seitlich von außen. Der Grundaufbau des Wandlers 1 kann wie in den 1 bis 9 sein.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren weist die Verkapselung 7 eine besondere geometrische Außenform auf. Insbesondere weist die Verkapselung 7 eine brückenartige Form auf. Dabei weist die Verkapselung 7 einen Deformationsbereich 28 auf, in dem das piezoelektrische Element 2 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 2 ist hier gestrichelt angedeutet. Eine Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 erstreckt sich vorliegend in die Bildebene hinein. Die Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 ist plan ausgebildet. Der Deformationsbereich 28 ist dazu ausgebildet, sich bei Krafteinwirkung zu verformen. Insbesondere ist eine Deformation bei Einwirkung einer Kraft F von oben vorgesehen.
Die Verkapselung 7 weist zudem einen Stützbereich 29 in Form zweier Stützpfeiler auf. Der Deformationsbereich 28 liegt auf dem Stützbereich 29 auf. Durch den Stützbereich 29 wird bei Krafteinwirkung eine Verbiegung des Deformationsbereichs 28 nach unten erreicht. Im Stützbereich 29 können ein oder mehrere elektronische Komponenten 25 angeordnet sein.
Der Deformationsbereich 28 weist eine nach außen gewölbte Oberfläche 30 auf. Somit kann die Verkapselung 7 auch als bogenhaft mit einer Kavität angesehen werden. Durch die Form der Wölbung kann eine weitere Signalverstärkung erreicht werden. Zudem definiert die Wölbung den Ansatzpunkt der Kraft F auf die Verkapselung 7.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers 1 von außen. Der Grundaufbau des Wandlers 1 kann entsprechend den 1 bis 9 sein.
Die Verkapselung 7 weist hier einen Deformationsbereich 28 auf, in dem das piezoelektrische Element 2 angeordnet ist. Der Deformationsbereich 28 ist in Form eines dünnen Fingers ausgebildet. Das piezoelektrische Element 2 ist beispielsweise in Form eines dünnen Streifens ausgebildet. Das piezoelektrische Element 2 ist zu einer Einwirkung einer Kraft F seitlich auf die Fingerform ausgebildet.
Die Verkapselung weist einen Stützbereich 29 auf, der als Stütze für den Deformationsbereich 28 fungiert. Der Stützbereich 29 ist insbesondere eine Art Ständer für den Deformationsbereich 28. Im Stützbereich 29 können ein oder mehrere elektronische Komponenten 25 angeordnet sein.
Die Verkapselung 7 ist einheitlich ausgebildet und erstreckt sich über den gesamten Stützbereich 29 und Deformationsbereich 28. Insbesondere kann die gesamte Verkapselung 7 in einem Vergussschritt erzeugt werden.
13 zeigt Verfahrensschritte in einem Verfahren zur Einstellung elektromechanischer Eigenschaften eines piezoelektrischen Wandlers, beispielsweise eines Wandlers 1 einer der vorgehend beschriebenen Ausführungsformen. Die hier verwendeten Bezugszeichen zur Bezeichnung von Teilen des Wandlers beziehen sich auf mögliche Ausführungsformen, insbesondere auch auf die vorgehend beschriebenen Ausführungsformen.
In einem Schritt A wird ein piezoelektrisches Element 2 bereitgestellt. Das piezoelektrische Element 2 kann auf einem Träger 6 angeordnet sein. Das piezoelektrische Element 2 kann auch ohne zusätzlichen Träger 6 bereitgestellt werden. Das piezoelektrische Element 2 weist insbesondere ein piezoelektrisches Material 3 und Elektroden 4, 5 auf. Es können optional in diesem Schritt auch ein oder mehrere elektronische Komponenten 25 bereitgestellt und elektrisch mit dem piezoelektrischen Element 2 verbunden werden. Beispielsweise werden die elektronischen Komponenten 25 auf einem Träger angeordnet und elektrisch über Leiterbahnen oder Drähte mit dem piezoelektrischen Element 2 verbunden.
Anschließend wird das piezoelektrische Element 2 in einem Schritt B von einer Verkapselung 7 umgeben. Insbesondere wird im Fall eines vorhandenen Trägers 6 auch der Träger 6 von der Verkapselung umgeben. Dazu kann das piezoelektrische Element 2 mit Träger 6 und optional vorhandenen elektronischen Komponenten 25 in einer Form positioniert werden und anschließend wird ein Vergussmaterial durch ein Vergussverfahren, beispielsweise durch Spritzguss, Überspritzen („overmoulding“) oder einer definierten Abgabe einer Flüssigkeit („dispensing“), in die Form eingebracht, so dass der Verbund vom Vergussmaterial umschlossen wird. Im Falle ein oder mehrerer elektronischer Komponenten können auch diese von der Verkapselung 7 umschlossen werden.
Es ist auch möglich, in einem optionalen Schritt B1 die elektronischen Komponenten 25 mit einer weiteren Verkapselung 24 zu umgeben, wie es in Zusammenhang mit 9 beschrieben wird. Insbesondere kann die weitere Verkapselung 24 einen höheren Härtegrad als die Verkapselung 7 aufweisen, um die elektronischen Komponenten 25 und Schnittstellen zur elektrischen Verbindung vor zu starker mechanischer Belastung zu schützen.
Dazu werden beispielsweise zuerst die elektronischen Komponenten 25 mit dem piezoelektrischen Element elektrisch verbunden. Danach kann ein weiteres Vergussmaterial bereitgestellt und die elektronischen Komponenten 25 mit dem weiteren Vergussmaterial vergossen werden. Die dadurch gebildete weitere Verkapselung 24 kann dabei den Träger 6 und das piezoelektrische Element 2 teilweise bedecken. Anschließend wird in Schritt B die Verkapselung 7 um den Verbund aus piezoelektrischem Element 2, elektronischen Komponenten 25, optional vorhandenem Träger 6 und weiterer Verkapselung 24 aufgebracht.
In einem Schritt C werden die elektromechanischen Eigenschaften des so hergestellten Wandlers 1 vermessen. Insbesondere wird dazu eine äußere Kraft F auf den Wandler 1 ausgeübt, um den Wandler 1 zu verformen. Es wird das aufgrund der Verformung durch das piezoelektrische Element 2 erzeugte elektrische Signal S_n, insbesondere die erzeugte elektrische Spannung, gemessen. Das Signal S_n muss nicht das direkte, vom piezoelektrischen Element 2 erzeugte Signal sein, sondern kann bereits auch durch elektronische Komponenten 25 verarbeitet sein. Beispielsweise wird hierzu eine äußere Kraft F oder ein Verformungsweg über einen Zeitverlauf vorgegeben. Das elektrische Signal S_n ist beispielsweise eine elektrische Spannung.
Anschließend kann bestimmt werden, ob der so erhaltene Istwert S_n einem gewünschten Sollwert S_opt entspricht („S_n=S_opt ?“). Falls dies nicht der Fall ist oder dies noch nicht klar ist, wird das Verfahren wiederholt (n=n+1), so dass in neuen Verfahrensschritten A, B ein weiterer Wandler gefertigt wird, wobei sich die Verkapselung 7 des weiteren Wandlers 1 in ihrem Härtegrad von der Verkapselung 7 des vorgehend hergestellten Wandlers unterscheidet. Beispielsweise kann der Härtegrad schrittweise erhöht oder verringert werden.
Der optimale Wert kann beispielsweise ein vorgegebener Wert sein oder eine vorgegebene Signalschwelle sein oder es kann hier auch ermittelt werden, ob eine Erhöhung des Signals gegenüber einem bereits gemessenen Signal eines Wandlers erreicht wurde. Abhängig davon, ob mit einer weiteren Änderung des Härtegrads der Verkapselung noch eine weitere Verbesserung erwartet wird, wird das Verfahren wiederholt oder es wird entschieden, dass eine der Verkapselungen ein maximales Signal liefert und in der Produktion verwendet wird. In diesem Fall sind in Schritt D die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers optimal eingestellt.
Bezugszeichenliste

1: Wandler
2: Piezoelektrisches Element
3: Piezoelektrisches Material
4: Elektrode
5: Elektrode
6: Träger
7: Verkapselung
8: Oberseite
9: Längsseite
10: Längsseite
11: Breitseite
12: Breitseite
13: Ende des Wandlers
14: Ende des Wandlers
15: Mittelbereich
16: aktiver Bereich
17: Vergleichsbespiel eines Wandlers
18: erstes Verkapselungsmaterial (weich)
19: zweites Verkapselungsmaterial (hart)
20: Struktur zur Verbesserung der Ankopplung
21: Wandler ohne Struktur
22: Wandler mit Struktur
23: Oberseite Träger
24: weitere Verkapselung
25: elektronische Komponente
26: elektrische Schnittstelle
27: Anschlussleitungen
28: Deformationsbereich
29: Stützbereich
30: Oberfläche Verkapselung
S: vom piezoelektrischen Element ausgegebenes Signal
S': verarbeitetes Signal
Sn: ausgegebenes Signal des n-ten Wandlers
Sopt: optimales Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1301762 B1 [0003]
EP 2899521 A1 [0003]
US 4634917 A [0004]

Claims

Piezoelektrischer Wandler, aufweisend ein piezoelektrisches Element (2) und eine Verkapselung (7), die das piezoelektrische Element (2) umschließt, wobei die Verkapselung (7) dazu ausgebildet ist, die elektromechanischen Eigenschaften des Wandlers (1) einzustellen.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verkapselung (7) ein Material mit einer Shore Härte A 30 bis D 40 aufweist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine weitere Verkapselung (24), wobei die weitere Verkapselung (24) einen größeren Härtegrad aufweist als die Verkapselung (7) und wobei die weitere Verkapselung (24) von der Verkapselung (7) umschlossen ist.
Wandler nach Anspruch 3, bei dem die weitere Verkapselung (24) einen Härtegrad mit einer Shore Härte D größer als 80 aufweist und die Verkapselung (7) einen Härtegrad mit einer Shore Härte zwischen A 30 und D 40 aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die weitere Verkapselung (24) ein oder mehrere elektronische Komponenten (25) umschließt.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Element (2) auf einem Träger (6) angeordnet ist, wobei die Verkapselung (7) das piezoelektrische Element (2) und den Träger (6) umschließt.
Wandler nach Anspruch 6, bei dem der Träger Strukturen (20) zur Verbesserung der mechanischen Kopplung mit der Verkapselung (7) aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das piezoelektrische Element (2PE) nicht auf einem Träger angeordnet ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verkapselung (7) eine gewölbte Oberfläche zur Einwirkung einer Kraft (F) aufweist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verkapselung (7) einen Deformationsbereich (28) aufweist, in dem das piezoelektrische Element (2) angeordnet ist, und einen Stützbereich (29) aufweist, der den Deformationsbereich (28) stützt.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verkapselung (7) eine brückenförmige Geometrie aufweist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verkapselung einen fingerförmigen Deformationsbereich (28) aufweist, der sich ausgehend vom Stützbereich (29) erstreckt.
Wandler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem im Stützbereich (29) ein oder mehrere elektrische Komponenten angeordnet sind.
Verfahren zur Einstellung der elektromechanischen Eigenschaften eines Wandlers (1), mit den Schritten: A) Bereitstellen eines piezoelektrischen Elements (2), B) Umgeben des piezoelektrischen Elements (2) mit einer Verkapselung (7) zur Ausbildung des Wandlers (1), C) Ausüben einer äußeren Kraft (F) auf den Wandler (1) und Messen eines Istwerts eines erzeugten elektrischen Signals (S₁, S_n), D) Ermitteln, ob das gemessene elektrische Signal (S₁, S_n) einen gewünschten Wert aufweist und abhängig davon Wiederholen der Schritte A) bis C) unter Veränderung des Härtegrads des Materials der Verkapselung (7) bis ein gewünschter Wert erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem vor Schritt B) ein oder mehrere elektronische Komponenten (25) bereitgestellt, mit dem piezoelektrischen Element (2) elektrisch verbunden werden und nach der elektrischen Verbindung von einer weiteren Verkapselung (7) umgeben werden.
Piezoelektrischer Wandler, aufweisend ein piezoelektrisches Element (2) und eine Verkapselung (7), die das piezoelektrische Element (2) umschließt, wobei die Verkapselung (7) einen Deformationsbereich (28) aufweist, in dem das piezoelektrische Element (2) angeordnet ist, und einen Stützbereich (29) aufweist, der den Deformationsbereich (28) stützt.