DE102021129229B9 - Piezoelectric transducer - Google Patents

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Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Wandler (1) zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur (11) beschrieben aufweisend- einen piezoelektrischen Aktuator (2), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente (3) aufweist, die nebeneinander entlang einer Längsachse (X) des piezoelektrischen Wandlers (1) angeordnet sind,- eine Trägerschicht (4), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) an einer Oberseite (4a) der Trägerschicht (4) angeordnet ist,- ein Schutzelement (5, 15, 25), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) vollständig in dem Schutzelement (5) eingebracht ist,- wenigstens ein Kontaktelement (6) zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers (1), wobei das Kontaktelement (6) zumindest teilweise in das Schutzelement (5, 15, 25) integriert ist, wobei das jeweilige piezoelektrische Element (3) eine Breite (w1), eine Länge (l) und eine Dicke (t) aufweist, wobei w1 >> t und l >> w1, und wobei der piezoelektrische Wandler (1) in einem Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements (3) betrieben wird.A piezoelectric transducer (1) for exciting mechanical waves in a structure (11) to be examined is described comprising a piezoelectric actuator (2), the piezoelectric actuator (2) having a plurality of piezoelectric elements (3) which are arranged next to one another along a longitudinal axis (X) of the piezoelectric transducer (1), - a carrier layer (4), the piezoelectric actuator (2) being arranged on an upper side (4a) of the carrier layer (4), - a protective element (5, 15, 25 ), wherein the piezoelectric actuator (2) is completely introduced into the protective element (5), - at least one contact element (6) for the electrical connection of the piezoelectric converter (1), wherein the contact element (6) is at least partially inserted into the protective element (5, 15, 25) is integrated, the respective piezoelectric element (3) having a width (w1), a length (l) and a thickness (t), where w1>>t and l>>w1, and wherein the piezoelectric transducer (1 ) is operated in a longitudinal mode of the respective piezoelectric element (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Überwachung einer Struktur, bei dem ein piezoelektrischer Wandler eingesetzt wird.The present invention relates to a piezoelectric transducer. The present invention further relates to a method for monitoring a structure using a piezoelectric transducer.

Die Verwendung von Ultraschallwellen ist eine gängige Technik zur Überprüfung und Überwachung des Zustands einer Struktur. Beispielhafte Bereiche, in denen dies eingesetzt wird, um Risse und Defekte in der Struktur zu erkennen sowie um mechanische Eigenschaften und geometrische Veränderungen zu messen, sind die Luftfahrtindustrie, der Brückenbau, die Automobilindustrie und die Ölindustrie.The use of ultrasonic waves is a common technique for inspecting and monitoring the condition of a structure. Exemplary areas where this is used to detect cracks and defects in structure, as well as to measure mechanical properties and geometric changes, are the aerospace industry, bridge construction, the automotive industry and the oil industry.

Zur Anregung von Ultraschallwellen werden elektromagnetische oder piezoelektrische Wandler verwendet, wobei letztere am weitesten verbreitet sind. Vereinfachend kann man die piezoelektrischen Typen in zwei Hauptkategorien unterteilen, welche auf den Wellen basieren, die sie anregen:

  • - Anregung reiner Longitudinal- oder Scherwellen, die üblicherweise zum Aufspüren von Rissen und Inhomogenität etc. von Grundmaterialien/Substraten verwendet werden;
  • - Anregung von Lamb-Wellen, welche zur Prüfung von platten Strukturen verwendet werden.
Electromagnetic or piezoelectric transducers are used to excite ultrasonic waves, with the latter being the most widespread. Simplistically, the piezoelectric types can be divided into two main categories based on the waves they excite:
  • - Excitation of pure longitudinal or shear waves commonly used to detect cracks and inhomogeneity etc. of base materials/substrates;
  • - Excitation of Lamb waves, which are used to test flat structures.

Piezoelektrische Wandler sowie zu Grunde liegende piezoelektrische Aktuatoren sind beispielsweise in den Dokumenten WO 2013/011036 A1 , WO 2008/147891 A1 und EP 2 267 807 A2 beschrieben.Piezoelectric converters and underlying piezoelectric actuators are, for example, in the documents WO 2013/011036 A1 , WO 2008/147891 A1 and EP 2 267 807 A2 described.

Das Dokument DE 10 2006 040 316 A1 beschreibt eine Multilayerplatte, die aus einem monolithischen Keramikkörper, bei dem positive und negative Elektroden mit Keramikplatten zu einem monolithischen Keramikkörper gesintert sind, hergestellt ist. Der Flächenaktuator nutzt den d33-Effekt aus, und kann hohe Dehnungen bei geringen Betriebsspannungen erzeugen.The document DE 10 2006 040 316 A1 describes a multilayer board made of a ceramic monolithic body in which positive and negative electrodes are sintered with ceramic plates into a ceramic monolithic body. The surface actuator uses the d33 effect and can generate high levels of strain at low operating voltages.

Das Dokument DE 10 2019 206 997 A1 beschreibt Ultraschallwandler, bei denen an den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der piezoelektrischen keramischen plattenförmigen Elemente jeweils eine Elektrode vorhanden ist. Die zwei UltraschallWandler, die ein Paar bilden, können in ein elastisch verformbares Material einlaminiert werden.The document DE 10 2019 206 997 A1 describes ultrasonic transducers in which an electrode is provided on each of the two opposite surfaces of the piezoelectric ceramic plate-shaped elements. The two ultrasonic transducers that form a pair can be laminated into an elastically deformable material.

Das Dokument DE 100 51 784 C1 beschreibt ein Funktionsmodul, bei welchem eine Piezokeramik in eine Hülle aus oberer und unterer Trägerfolie eingeklebt ist. Auf der Innenseite der Trägerfolie sind Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der Piezokeramik aufgeklebt. Die Trägerfolien haben jeweils eine Anschlussfahne zum Anschluss externer elektrischer Schaltungen, die aus der Faserverbundstruktur herausgeführt wird.The document DE 100 51 784 C1 describes a functional module in which a piezoceramic is glued into a shell made of upper and lower carrier foil. Conductor tracks for electrical contacting of the piezoceramic are glued to the inside of the carrier film. The carrier foils each have a connecting lug for connecting external electrical circuits, which is led out of the fiber composite structure.

Das Dokument US 2015 / 0 163 598 A1 beschreibt ein piezoelektrisches Vibrationsmodul mit einem piezoelektrischen Element, einer flexiblen Verdrahtungsplatte (FPC) als Verdrahtungselement, das mit einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements verbunden ist, einer elastischen Platte, die mit der anderen Oberfläche des piezoelektrischen Elements durch einen Klebstoff verbunden ist, und einem Gehäuseteil das das piezoelektrische Element zusammen mit der elastischen Platte bedeckt.The document U.S. 2015/0 163 598 A1 describes a piezoelectric vibration module having a piezoelectric element, a flexible wiring board (FPC) as a wiring element connected to one surface of the piezoelectric element, an elastic plate connected to the other surface of the piezoelectric element by an adhesive, and a case member covers the piezoelectric element together with the elastic plate.

Das Dokument WO 2017/ 223 219 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Batteriezustands, umfassend: Bereitstellen einer Batteriezelle, Erzeugen einer geführten Welle, die sich in der Ebene der Batteriezelle ausbreitet, Empfangen einer ankommenden Welle, die der geführten Welle entspricht, und Bestimmen eines Zustands der Batteriezelle basierend auf der ankommenden Welle.The document WO 2017/ 223 219 A1 describes a method for monitoring battery condition, comprising: providing a battery cell, generating a guided wave that propagates in the plane of the battery cell, receiving an incoming wave corresponding to the guided wave, and determining a condition of the battery cell based on the incoming wave .

Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich auf Anwendungen zur Untersuchung des Zustands und/oder der Qualität platter Strukturen, in welchen Lamb-Wellen angeregt werden (z.B. zur Anwendung in Li-Ionen Antriebsbatterien für Automobile (isotrope oder mehrschichtige Strukturen)).The present disclosure focuses on applications for examining the condition and/or quality of plate structures in which Lamb waves are excited (e.g. for application in Li-ion automotive traction batteries (isotropic or multilayer structures)).

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es einen piezoelektrischen Wandler zu beschreiben, welcher die im Stand der Technik vorherrschenden Probleme löst.The aim of the present invention is to describe a piezoelectric transducer which solves the problems prevailing in the prior art.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Wandler gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is solved by a piezoelectric transducer according to the independent claims.

Gemäß einem Aspekt wird ein piezoelektrischer Wandler beschrieben. Der piezoelektrische Wandler ist zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur ausgebildet. Der piezoelektrische Wandler ist zur Überwachung eines Zustands der Struktur bzw. deren Materialien ausgebildet. Dadurch kann in weiterer Folge auf eine Temperaturänderung in der Struktur geschlossen werden. Dabei kann keine direkte Messung der Temperatur durch den piezoelektrischen Wandler erfolgen. Vielmehr erfolgt in diesem Zusammenhang eine Messung von Materialeigenschaftsänderungen sowie Geometrieänderungen und daraus eine Bestimmung von Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen (indirekte Bestimmung von Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen). Wenn im Folgenden auf eine Temperaturmessung verwiesen wird, ist damit die indirekte Bestimmung der Temperatur gemeint.According to one aspect, a piezoelectric transducer is described. The piezoelectric transducer is designed to excite mechanical waves in a structure to be examined. The piezoelectric transducer is designed to monitor a condition of the structure or its materials. As a result, a temperature change in the structure can subsequently be inferred. In this case, the temperature cannot be measured directly by the piezoelectric converter. Rather, in this context, changes in material properties and changes in geometry are measured and, from this, temperature/humidity/barometric pressure changes are determined (indirect determination of temperature/humidity/barometric pressure changes). If reference is made below to a temperature measurement, this means the indirect determination of the temperature.

Der piezoelektrische Wandler (im Folgenden kann für „piezoelektrischer Wandler“ auch der Begriff „Wandler“ verwendet werden), weist einen piezoelektrischen Aktuator auf. Der piezoelektrische Aktuator ist ein Komposit-Aktuator. Ein Komposit-Aktuator weist eine Zusammensetzung aus einem piezoelektrisches Material (Piezokeramik) und einem Polymer auf.The piezoelectric converter (in the following the term “converter” can also be used for “piezoelectric converter”) has a piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator is a composite actuator. A composite actuator has a composition of a piezoelectric material (piezoceramic) and a polymer.

Der piezoelektrische Aktuator weist eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente auf. Die piezoelektrischen Elemente sind rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente streifenförmig ausgebildet. Bevorzugt sind die piezoelektrischen Elemente Piezostreifen. Die piezoelektrischen Elemente sind nebeneinander, insbesondere einander nachfolgend, entlang einer Längsachse des piezoelektrischen Wandlers bzw. des piezoelektrischen Aktuators angeordnet. Dabei verläuft eine Hauptausdehnungsrichtung (Länge) des jeweiligen piezoelektrischen Elements senkrecht zur Längsachse des Wandlers.The piezoelectric actuator has a multiplicity of piezoelectric elements. The piezoelectric elements are rectangular. The piezoelectric elements are preferably designed in the form of strips. The piezoelectric elements are preferably piezo strips. The piezoelectric elements are arranged next to one another, in particular one after the other, along a longitudinal axis of the piezoelectric converter or the piezoelectric actuator. In this case, a main direction of expansion (length) of the respective piezoelectric element runs perpendicular to the longitudinal axis of the transducer.

Der Wandler weist ferner eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht weist eine Dicke zwischen 1 µm und 200 µm auf. Die Trägerschicht kann elektrisch leitend ausgebildet sein. Die Trägerschicht kann Stahl, Glas, ein hartes Polymer (z.B. Epoxid) oder ein weiches Polymer (z.B. Polyurethan) aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator ist an einer Oberseite der Trägerschicht angeordnet, vorzugsweise mit einem Klebstoff festgeklebt. Eine Dicke der Klebstoffschicht ist dabei so dünn wie möglich.The transducer also has a backing layer. The carrier layer has a thickness of between 1 μm and 200 μm. The carrier layer can be designed to be electrically conductive. The backing may comprise steel, glass, a hard polymer (e.g. epoxy) or a soft polymer (e.g. polyurethane). The piezoelectric actuator is arranged on an upper side of the carrier layer, preferably glued with an adhesive. A thickness of the adhesive layer is as thin as possible.

Durch die Trägerschicht wird der piezoelektrische Aktuator geschützt und stabilisiert ohne dabei eine Dicke des Wandlers (d.h. eine Ausdehnung des Wandlers senkrecht zur Längsachse) übermäßig zu erhöhen. Ferner hat die Trägerschicht nur einen geringfügigen Einfluss auf die Schwingungseigenschaften des piezoelektrischen Aktuators. Damit kann ein besonders kompakter, robuster und zuverlässiger Wandler bereitgestellt werden, der selbst in kleine Strukturen, die aus verschiedenen Lagen bestehen, eingebettet werden.The carrier layer protects and stabilizes the piezoelectric actuator without excessively increasing the thickness of the transducer (i.e. the extent of the transducer perpendicular to the longitudinal axis). Furthermore, the carrier layer has only a minor influence on the vibration properties of the piezoelectric actuator. A particularly compact, robust and reliable converter can thus be provided, which can even be embedded in small structures consisting of different layers.

Der Wandler weist ferner ein Schutzelement auf. Der piezoelektrische Aktuator ist vollständig in dem Schutzelement eingebracht. Durch das Schutzelement wird der Wandler vor externen Einflüssen geschützt. Das Schutzelement ist dazu ausgebildet den Wandler zu versiegeln. Damit wird die Robustheit des Wandlers gesteigert.The converter also has a protection element. The piezoelectric actuator is fully incorporated into the protective element. The converter is protected from external influences by the protective element. The protective element is designed to seal the converter. This increases the robustness of the converter.

Der Wandler weist weiterhin wenigstens ein Kontaktelement zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers auf. Das Kontaktelement bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik, mit der der Wandler verbunden wird. Das Kontaktelement ist zumindest teilweise in das Schutzelement integriert. Dadurch ist der Wandler sehr kompakt, und - auf Grund der Integration des Kontaktelements in das Schutzelement - auch weniger anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Damit wird ein sehr flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt.The converter also has at least one contact element for the electrical connection of the piezoelectric converter. The contact element forms an interface to other electronics to which the converter is connected. The contact element is at least partially integrated into the protective element. As a result, the converter is very compact and—owing to the integration of the contact element in the protective element—also less susceptible to external influences. A converter that can be used very flexibly is thus provided.

Der Wandler ist sehr kompakt ausgebildet. Eine äußere Abmessung des Wandlers beträgt in etwa 25 mm x 10 mm. Das jeweilige piezoelektrische Element weist eine Breite w1, eine Länge l und eine Dicke t auf. Die Breite des jeweiligen piezoelektrischen Elements erstreckt sich entlang der Längsachse des Wandlers. Länge l und Dicke t erstrecken sich jeweils senkrecht zur Längsachse des Wandlers. Das jeweilige piezoelektrische Element ist so dimensioniert, dass w1 >> t und l >> w1. Bevorzugt ist l ≥ 3 · w1. Bevorzugt ist w1 ≥ 3 · t.The converter is very compact. An outer dimension of the transducer is approximately 25mm x 10mm. The respective piezoelectric element has a width w1, a length l and a thickness t. The width of each piezoelectric element extends along the longitudinal axis of the transducer. Length l and thickness t each extend perpendicularly to the longitudinal axis of the transducer. The respective piezoelectric element is dimensioned in such a way that w1>>t and l>>w1. l ≥ 3 x w1 is preferred. w1 ≥ 3*t is preferred.

Durch die spezielle Ausgestaltung können Vibrationen des jeweiligen piezoelektrischen Elements in unerwünschte Richtungen, und damit Störmoden, effektiv reduziert werden. Dadurch wird der größtmögliche Energietransfer vom piezoelektrischen Element in die zu untersuchende Struktur und die gewünschte Richtung ermöglicht.Due to the special configuration, vibrations of the respective piezoelectric element in undesired directions, and thus interference modes, can be effectively reduced. This enables the greatest possible energy transfer from the piezoelectric element to the structure to be examined and the desired direction.

Ferner ist der Wandler so konzipiert, dass er - in Abhängigkeit von der Polarisation - in einem Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements betrieben wird. Die piezoelektrischen Elemente sind in Richtung der Dicke polarisiert.Furthermore, the converter is designed in such a way that it is operated in a longitudinal mode of the respective piezoelectric element, depending on the polarization. The piezoelectric elements are polarized in the thickness direction.

Eine Hauptverformungsrichtung des jeweiligen piezoelektrischen Elements erstreckt sich folglich entlang der Länge l des piezoelektrischen Elements und damit senkrecht zu einer Länge des Wandlers. Unter Länge des Wandlers wird dabei eine Ausdehnung des Wandlers entlang der Längsachse und insbesondere eine Hauptausdehnungsrichtung des Wandlers verstanden. Daraus wird ersichtlich, dass der Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements einem Breitenmodus des gesamten piezoelektrischen Wandlers entspricht. Zusätzlich kann das piezoelektrische Element auch noch im Dickenmodus angeregt werden.A main direction of deformation of the respective piezoelectric element consequently extends along the length l of the piezoelectric element and thus perpendicularly to a length of the transducer. The length of the converter is understood to mean an extension of the converter along the longitudinal axis and in particular a main direction of extension of the converter. From this it can be seen that the longitudinal mode of the respective piezoelectric element corresponds to a width mode of the entire piezoelectric transducer. In addition, the piezoelectric element can also be excited in thickness mode.

Durch seine spezielle Ausgestaltung erzielt der Wandler eine gerichtete Abstrahlung mechanischer Wellen für eine optimierte Zustandsüberwachung in einer Struktur unter Vermeidung unerwünschter Reflexionen von Hindernissen/Merkmalen in der Umgebung. Durch die spezifische Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators verfügt der Wandler ferner über optimierte piezoelektrische Eigenschaften für eine maximale Wellenanregung und -erfassung. Er hat weiterhin einen klaren Vibrationsmodus im Zielbereich, selbst wenn der piezoelektrische Aktuator ein kleines Längen/Breiten-Verhältnis aufweist. Dabei wird unabhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente und damit unabhängig von einer Länge L des piezoelektrischen Aktuators eine saubere Resonanz erzielt. Alles in allem wird ein hoch-effizienter, kompakter, robuster, langlebiger, und kostengünstiger Wandler bereitgestellt.Due to its special design, the transducer achieves directional radiation of mechanical waves for optimized condition monitoring in a structure while avoiding unwanted reflections from surrounding obstacles/features. Due to the specific design of the piezoelectric actuator, the transducer also has optimized piezoelectric properties for maximum wave excitation and detection. It still has a clear vibration mode in the target area even if the piezoelectric actuator has a small aspect ratio. It becomes independent A clean resonance is achieved depending on the number of piezoelectric elements and thus independently of a length L of the piezoelectric actuator. All in all, a highly efficient, compact, robust, durable, and inexpensive converter is provided.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die piezoelektrischen Elemente gleichzeitig angeregt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die piezoelektrischen Elemente auch einzeln angeregt werden. Insbesondere können die piezoelektrischen Elemente mit einer relativen Zeitverzögerung zueinander angeregt werden. Dadurch kann eine Führung und Fokussierung der angeregten Schwingungen erzielt werden, was den Wandler besonders effektiv macht. Für diese Konfiguration sollten die piezoelektrischen Elemente einzelne oder gruppierte Elektroden aufweisen.According to one embodiment, the piezoelectric elements are excited simultaneously. In an alternative embodiment, the piezoelectric elements can also be excited individually. In particular, the piezoelectric elements can be excited with a relative time delay to one another. This allows the excited vibrations to be guided and focused, which makes the converter particularly effective. For this configuration, the piezoelectric elements should have single or grouped electrodes.

Je nach Ausführung der Kontaktierung können die piezoelektrischen Elemente einzeln angesteuert werden (z.B. Kontaktierung jedes piezoelektrischen Elements einzeln) oder alle zusammen (z.B. Kontaktierung über einen leitfähigen Kleber oder ein leitfähiges Element). Wenn alle piezoelektrischen Elemente gemeinsam angesteuert werden, teilen sie sich eine gemeinsame Elektrode. Werden die piezoelektrischen Elemente zeitverzögert oder unabhängig voneinander angesteuert, haben sie eine eigene Signalelektrode. Die Masseelektrode wird jedoch gemeinsam genutzt.Depending on the design of the contact, the piezoelectric elements can be controlled individually (e.g. contacting each piezoelectric element individually) or all together (e.g. contacting via a conductive adhesive or a conductive element). When all piezoelectric elements are driven together, they share a common electrode. If the piezoelectric elements are controlled with a time delay or independently of one another, they have their own signal electrode. However, the ground electrode is shared.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Schutzelement ein Polymer auf. Der piezoelektrische Aktuator ist in dem Polymer eingebettet bzw. von dem Polymer umhüllt. Damit kann der Wandler auf effektive, einfache und kostengünstige Weise vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Die Energie wird von der Trägerschicht aus in die zu überwachende Struktur übertragen. Das Polymer hat dabei dämpfende Eigenschaften.According to one embodiment, the protective element has a polymer. The piezoelectric actuator is embedded in the polymer or encased by the polymer. The converter can thus be protected from external influences in an effective, simple and cost-effective manner. The energy is transferred from the carrier layer into the structure to be monitored. The polymer has dampening properties.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Schutzelement ein Gehäuse auf. Das Gehäuse umgibt den piezoelektrischen Aktuator. Das Gehäuse kann Metall oder Plastik aufweisen. Das Gehäuse schützt den piezoelektrischen Aktuator zuverlässig vor äußeren Krafteinwirkungen.According to one embodiment, the protective element has a housing. The housing surrounds the piezoelectric actuator. The housing can be metal or plastic. The housing reliably protects the piezoelectric actuator from external forces.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Innenbereich des Gehäuses einen Freibereich (Hohlraum) zwischen einer Außenfläche des piezoelektrischen Aktuators und einer Innenfläche des Gehäuses auf. Der Bereich zwischen der Außenfläche des piezoelektrischen Aktuators und der Innenfläche des Gehäuses ist insbesondere frei von Material. Dadurch können Dämpfungseffekte vermieden werden.According to one embodiment, an interior of the housing has a clearance (cavity) between an outer surface of the piezoelectric actuator and an inner surface of the housing. In particular, the area between the outer surface of the piezoelectric actuator and the inner surface of the housing is free of material. This allows damping effects to be avoided.

Alternativ dazu kann der Freibereich auch mit einem Schaum oder einem Polymer, beispielsweise Polyurethan, Silikon, oder Epoxid gefüllt sein. Dadurch wird die mechanische Festigkeit des Wandlers erhöht. Ferner erhöht die Füllung die Widerstandsfähigkeit des Wandlers gegenüber Feuchtigkeit und Staub.As an alternative to this, the free area can also be filled with a foam or a polymer, for example polyurethane, silicone or epoxy. This increases the mechanical strength of the converter. Furthermore, the filling increases the resistance of the transducer to moisture and dust.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht eine Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 der Länge l des jeweiligen piezoelektrischen Elements, mit anderen Worten B = l. Die Breite B definiert eine Anregungsfrequenz des piezoelektrischen Aktuators. Vorzugsweise ist 4 mm ≤ B ≤ 20 mm.According to one exemplary embodiment, a width B of the piezoelectric actuator 2 corresponds to the length l of the respective piezoelectric element, in other words B=l. The width B defines an excitation frequency of the piezoelectric actuator. Preferably, 4mm≦B≦20mm.

Eine Dicke t des piezoelektrischen Aktuators entspricht der Dicke t des jeweiligen piezoelektrischen Elements. Vorzugsweise ist t < 2 mm. Weiterhin vorzugsweise beträgt ein Abstand A zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Elementen ≤ 1/10 der Länge l des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 (A ≤ l/10). Damit wird ein sehr kompakter, flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt, der selbst sehr beengten Einbausituationen gerecht wird.A thickness t of the piezoelectric actuator corresponds to the thickness t of the respective piezoelectric element. Preferably t < 2mm. Furthermore, a distance A between two adjacent piezoelectric elements is preferably ≦1/10 of the length l of the respective piezoelectric element 3 (A≦1/10). This provides a very compact converter that can be used flexibly and that is even suitable for very cramped installation situations.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement flexibel ausgebildet. Das Kontaktelement weist eine flexible Elektronik (so genannter „flex-circuit“ oder Flexkabel bzw. Flex-Leiterplatte) oder ein UHF (Ultra High Frequency - Ultrahochfrequenz) Koaxialkabel auf. Alternativ dazu kann das Kontaktelement auch zwei Drähte aufweisen.According to one embodiment, the contact element is flexible. The contact element has flexible electronics (so-called “flex circuit” or flex cable or flex printed circuit board) or a UHF (Ultra High Frequency) coaxial cable. As an alternative to this, the contact element can also have two wires.

Der piezoelektrische Aktuator weist wenigstens eine obere Elektrode (Signalelektrode) und wenigstens eine untere Elektrode (Masseelektrode) auf. Der Aktuator kann auch eine Vielzahl von oberen Elektroden aufweisen. In diesem Fall weist jedes piezoelektrische Element des Aktuators eine obere Elektrode auf.The piezoelectric actuator has at least one upper electrode (signal electrode) and at least one lower electrode (ground electrode). The actuator can also have a plurality of top electrodes. In this case, each piezoelectric element of the actuator has a top electrode.

Das Kontaktelement ist mit der oberen Elektrode elektrisch leitend verbunden. Das Kontaktelement ist nicht-lösbar mit dem Wandler verbunden. Das Kontaktelement ist lösbar mit einer externen Elektronik verbunden zum elektrischen Anschluss des Wandlers.The contact element is electrically conductively connected to the upper electrode. The contact element is non-detachably connected to the converter. The contact element is detachably connected to external electronics for the electrical connection of the converter.

Wenn alle piezoelektrischen Elemente gemeinsam angesteuert werden, teilen sie sich eine gemeinsame Elektrode (d.h. der piezoelektrische Aktuator weist genau eine obere und genau eine untere Elektrode auf). Werden die piezoelektrische Elemente zeitverzögert oder unabhängig voneinander angesteuert, haben sie eine eigene Signalelektrode/obere Elektrode. Das heißt der piezoelektrische Aktuator weist eine Vielzahl an oberen Elektroden auf. Die untere Elektrode (Masseelektrode) wird jedoch gemeinsam genutzt.When all piezoelectric elements are driven together, they share a common electrode (i.e. the piezoelectric actuator has exactly one top electrode and exactly one bottom electrode). If the piezoelectric elements are driven with a time delay or independently of one another, they have their own signal electrode/upper electrode. That is, the piezoelectric actuator has a plurality of upper electrodes. However, the bottom electrode (ground electrode) is shared.

Das Kontaktelement ist sehr platzsparend ausgebildet. Wird ein Flex-Kabel verwendet, liegt seine Dicke bevorzugt unter 200 µm. Bei einem UHF-Koaxialkabel kann mit einem Durchmesser ≤ 2 mm, beispielsweise 1 mm, gerechnet werden. Eine Integration des Wandlers ist damit selbst bei sehr beengten Platzverhältnissen möglich.The contact element is designed to be very space-saving. If a flex cable is used, its thickness is preferably less than 200 μm. With a UHF coaxial cable, a diameter of ≤ 2 mm, for example 1 mm, can be expected. An integration of the converter is thus possible even in very tight spaces.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein piezoelektrischer Wandler beschrieben. Der piezoelektrische Wandler ist zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur ausgebildet. Der piezoelektrische Wandler ist zur Überwachung eines Zustands der Struktur und/oder zur Überwachung von Temperatureffekten über die Struktur bzw. deren Materialien ausgebildet. Alle Eigenschaften und vorteilhaften Ausführungen, die in Bezug auf den piezoelektrischen Wandler gemäß dem ersten Aspekt offenbart sind, sind auch entsprechend für den Wandler gemäß dem zweiten Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des zweiten Aspekts erwähnt wird.According to a second aspect, a piezoelectric transducer is described. The piezoelectric transducer is designed to excite mechanical waves in a structure to be examined. The piezoelectric transducer is designed to monitor a condition of the structure and/or to monitor temperature effects across the structure or its materials. All properties and advantageous embodiments that are disclosed in relation to the piezoelectric transducer according to the first aspect are also disclosed accordingly for the transducer according to the second aspect, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the second aspect.

Der piezoelektrische Wandler weist einen piezoelektrischen Aktuator auf. Der piezoelektrische Aktuator ist ein Komposit-Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator weist eine Piezoplatte auf. Die Piezoplatte ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet. Eine Breite B der Piezoplatte ist folglich kleiner als eine Länge L der Piezoplatte. Die Breite der Piezoplatte erstreckt sich senkrecht zu der Längsachse X des Wandlers.The piezoelectric converter has a piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator is a composite actuator. The piezoelectric actuator has a piezo plate. The piezo plate is preferably rectangular. A width B of the piezo plate is consequently smaller than a length L of the piezo plate. The width of the piezo plate extends perpendicular to the longitudinal axis X of the transducer.

Der piezoelektrische Wandler weist ferner eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht weist eine Dicke zwischen 1 µm und 200 µm auf. Die Trägerschicht kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ausgebildet sein. Die Trägerschicht kann Stahl, Glas, ein hartes Polymer (z.B. Epoxid) oder ein weiches Polymer (z.B. Polyurethan) aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator ist an einer Oberseite der Trägerschicht angeordnet, vorzugsweise mit einem Klebstoff festgeklebt. Eine Dicke der Klebstoffschicht ist dabei so dünn wie möglich ausgebildet.The piezoelectric converter also has a carrier layer. The carrier layer has a thickness of between 1 μm and 200 μm. The carrier layer can be electrically conductive or electrically insulating. The backing may comprise steel, glass, a hard polymer (e.g. epoxy) or a soft polymer (e.g. polyurethane). The piezoelectric actuator is arranged on an upper side of the carrier layer, preferably glued with an adhesive. A thickness of the adhesive layer is designed to be as thin as possible.

Der piezoelektrische Wandler weist ferner wenigstens ein Schutzelement auf. Der piezoelektrische Aktuator ist vollständig in dem Schutzelement eingebracht. Durch das Schutzelement wird der Wandler vor externen Einflüssen geschützt. Das Schutzelement ist dazu ausgebildet den Wandler zu versiegeln. Damit wird die Robustheit des Wandlers gesteigert.The piezoelectric converter also has at least one protective element. The piezoelectric actuator is fully incorporated into the protective element. The converter is protected from external influences by the protective element. The protective element is designed to seal the converter. This increases the robustness of the converter.

Der piezoelektrische Wandler weist weiterhin wenigstens ein Kontaktelement zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers auf. Das Kontaktelement bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik, mit der der Wandler verbunden wird. Das Kontaktelement ist zumindest teilweise in das Schutzelement integriert. Dadurch ist der Wandler sehr kompakt, und - auf Grund der Integration des Kontaktelements in das Schutzelement - auch weniger anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Damit wird ein sehr flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt.The piezoelectric converter also has at least one contact element for the electrical connection of the piezoelectric converter. The contact element forms an interface to other electronics to which the converter is connected. The contact element is at least partially integrated into the protective element. As a result, the converter is very compact and—owing to the integration of the contact element in the protective element—also less susceptible to external influences. A converter that can be used very flexibly is thus provided.

Der piezoelektrische Wandler ist sehr kompakt ausgebildet. Eine äußere Abmessung des Wandlers beträgt in etwa 25 mm x 10 mm. Der piezoelektrische Wandler wird in einem Breitenmodus der Piezoplatte betrieben. Eine Hauptverformungsrichtung der Piezoplatte erstreckt sich folglich entlang der Breite der Piezoplatte und damit senkrecht zu einer Länge des Wandlers. The piezoelectric converter is very compact. An outer dimension of the transducer is approximately 25mm x 10mm. The piezoelectric transducer is operated in a width mode of the piezo plate. A main direction of deformation of the piezo plate consequently extends along the width of the piezo plate and thus perpendicular to a length of the transducer.

Folglich entspricht der Breitenmodus der Piezoplatte einem Breitenmodus des gesamten piezoelektrischen Wandlers. Der Breitenmodus kann durch Oberwellen des Längsmodus der Piezoplatte beeinflusst werden. Zusätzlich kann die Piezoplatte auch noch im Dickenmodus angeregt werden. Vorzugsweise ist die Piezoplatte in Richtung der Dicke polarisiert.Consequently, the width mode of the piezo plate corresponds to a width mode of the entire piezoelectric transducer. The width mode can be influenced by harmonics of the length mode of the piezo plate. In addition, the piezo plate can also be excited in thickness mode. The piezo plate is preferably polarized in the direction of the thickness.

Durch seine spezielle Ausgestaltung erzielt der Wandler eine gerichtete Abstrahlung mechanischer Wellen für eine optimierte Zustandsüberwachung in einer Struktur unter Vermeidung unerwünschter Reflexionen von Hindernissen/Merkmalen in der Umgebung. Durch die spezifische Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators verfügt der Wandler ferner über optimierte piezoelektrische Eigenschaften für eine maximale Wellenanregung und -erfassung. Er hat weiterhin einen klaren Vibrationsmodus im Zielbereich, selbst wenn der piezoelektrische Aktuator ein kleines Längen/Breiten-Verhältnis aufweist. Dabei wird unabhängig von der Länge L des piezoelektrischen Aktuators eine saubere Resonanz erzielt. Alles in allem wird ein hoch-effizienter, kompakter, langlebiger, und kostengünstiger Wandler bereitgestellt.Due to its special design, the transducer achieves directional radiation of mechanical waves for optimized condition monitoring in a structure while avoiding unwanted reflections from surrounding obstacles/features. Due to the specific design of the piezoelectric actuator, the transducer also has optimized piezoelectric properties for maximum wave excitation and detection. It still has a clear vibration mode in the target area even if the piezoelectric actuator has a small aspect ratio. A clean resonance is achieved regardless of the length L of the piezoelectric actuator. All in all, a highly efficient, compact, durable, and inexpensive converter is provided.

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.The drawings described below are not to be taken as true to scale. Rather, individual dimensions can be enlarged, reduced or also distorted for better representation.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Elements that are the same or that perform the same function are denoted by the same reference symbols.

Es zeigen:

  • 1 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine Seitenansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers gemäß 1,
  • 3 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers,
  • 5 eine Draufsicht auf einen Teil des piezoelektrischen Wandlers,
  • 6 eine Draufsicht auf einen Teil des piezoelektrischen Wandlers inklusive elektrischer Kontaktierung,
  • 7 eine Draufsicht auf ein System zur Überwachung einer Struktur,
  • 8a eine Seitenansicht des Systems gemäß 7,
  • 8b eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Systems gemäß 7
  • 9 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 10 eine perspektivische Ansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers gemäß 9.
Show it:
  • 1 a side view of a piezoelectric transducer according to a first embodiment,
  • 2 a side view of a part of the piezoelectric transducer according to FIG 1 ,
  • 3 a side view of a piezoelectric transducer according to a second embodiment,
  • 4 a perspective view of a part of the piezoelectric transducer,
  • 5 a plan view of part of the piezoelectric transducer,
  • 6 a top view of part of the piezoelectric transducer including electrical contacting,
  • 7 a plan view of a system for monitoring a structure,
  • 8a a side view of the system according to FIG 7 ,
  • 8b a plan view of a portion of the system according to FIG 7
  • 9 a side view of a piezoelectric transducer according to a further embodiment,
  • 10 a perspective view of a part of the piezoelectric transducer according to FIG 9 .

Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Wandler 1 ist dazu ausgelegt mechanische Wellen (Lamb Wellen) in einer Struktur anzuregen. Insbesondere ist der piezoelektrische Wandler 1 (im folgenden Wandler 1) dazu ausgebildet in Anwendungen zur Untersuchung des Zustands, von Temperatureffekten und/oder der Qualität platter oder plattenartiger Strukturen integriert zu werden. Dabei ist zu beachten, dass die Temperatur nicht direkt gemessen wird. Vielmehr werden Materialeigenschaftsänderungen sowie Geometrieänderungen gemessen und aus diesen können die Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen bestimmt werden. Zusätzlich ermöglicht der Wandler 1 die Untersuchung von SOX von Lithium-Ionen Zellen. Beispielsweise ist der Wandler 1 zur Anwendung in einer Li-Ionen-Auto Traktionsbatterie geeignet.the 1 shows a side view of a piezoelectric transducer 1 according to a first embodiment. The piezoelectric converter 1 is designed to excite mechanical waves (Lamb waves) in a structure. In particular, the piezoelectric transducer 1 (hereinafter transducer 1) is designed to be integrated into applications for investigating the condition, temperature effects and/or the quality of plate or plate-like structures. It should be noted that the temperature is not measured directly. Rather, changes in material properties and changes in geometry are measured and from these the temperature/humidity/air pressure changes can be determined. In addition, the converter 1 enables the investigation of SOX from lithium-ion cells. For example, the converter 1 is suitable for use in a Li-ion car traction battery.

Der Wandler 1 weist einen piezoelektrischen Aktuator 2 auf (siehe hierzu auch 4). Der piezoelektrische Aktuator 2 ist rechteckig ausgebildet. Mit anderen Worten, der piezoelektrische Aktuator 2 weist eine Länge L auf, welche größer ist als eine Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 ( 4). Die Breite B definiert die optimale Anregungsfrequenz des Wandlers 1.The converter 1 has a piezoelectric actuator 2 (see also 4 ). The piezoelectric actuator 2 is rectangular. In other words, the piezoelectric actuator 2 has a length L that is larger than a width B of the piezoelectric actuator 2 ( 4 ). The width B defines the optimal excitation frequency of the transducer 1.

Der piezoelektrische Aktuator 2 ist ein Komposit-Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator 2 weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 3 auf, welche entlang einer Längsachse X des piezoelektrischen Aktuators 2 angeordnet sind. The piezoelectric actuator 2 is a composite actuator. The piezoelectric actuator 2 has a multiplicity of piezoelectric elements 3 which are arranged along a longitudinal axis X of the piezoelectric actuator 2 .

Die Länge L des piezoelektrischen Aktuators 2 ist abhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente 3.The length L of the piezoelectric actuator 2 depends on the number of piezoelectric elements 3.

Die piezoelektrischen Elemente 3 sind streifenförmig ausgebildet (Piezostreifen). Die piezoelektrischen Elemente 3 sind rechteckig. Eine Länge l des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 ist folglich größer als eine Breite w1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 (4). Vorzugsweise ist l ≥ 3 · w1.The piezoelectric elements 3 are in the form of strips (piezo strips). The piezoelectric elements 3 are rectangular. A length l of the respective piezoelectric element 3 is consequently greater than a width w1 of the respective piezoelectric element 3 ( 4 ). Preferably l ≥ 3 x w1.

Die Länge l des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 entspricht der Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 (l = B), wie der 4 entnommen werden kann. Ein Abstand A zwischen zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Elementen 3 (siehe 4) beträgt maximal 1/10 der Länge l des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3.The length l of the respective piezoelectric element 3 corresponds to the width B of the piezoelectric actuator 2 (l=B), like that 4 can be removed. A distance A between two consecutive piezoelectric elements 3 (see 4 ) is a maximum of 1/10 of the length l of the respective piezoelectric element 3.

Das jeweilige piezoelektrische Element 3 weist ferner eine Dicke t auf. Die Dicke t der piezoelektrischen Elemente 3 entspricht der Dicke des kompletten piezoelektrischen Aktuators 2 und ist < 2 mm. Die Dicke t des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 beträgt bevorzugt maximal ein Drittel ihrer Breite w1, mit anderen Worten w1 ≥ 3 · t. Insgesamt gilt für den Wandler 1 damit l >> w1 und w1 >> t.The respective piezoelectric element 3 also has a thickness t. The thickness t of the piezoelectric elements 3 corresponds to the thickness of the complete piezoelectric actuator 2 and is <2 mm. The thickness t of the respective piezoelectric element 3 is preferably at most one third of its width w1, in other words w1≧3×t. Overall, l>>w1 and w1>>t applies to the converter 1.

Der Wandler 1 wird im so genannten Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 betrieben. Das bedeutet eine Hauptverformungsrichtung D (siehe 4) bzw. eine anvisierte Vibrationsrichtung V des piezoelektrischen Aktuators 2 erstreckt sich entlang der Längsausdehnung (entlang der Länge l) der piezoelektrischen Elemente 3, wie beispielsweise 5 und 6 entnommen werden kann. Auf den Wandler 1 bezogen, wird der Wandler 1 damit in einem Breitenmodus des Wandlers 1 betrieben.The converter 1 is operated in the so-called longitudinal mode of the respective piezoelectric element 3 . This means a main direction of deformation D (see 4 ) or a targeted vibration direction V of the piezoelectric actuator 2 extends along the longitudinal extension (along the length l) of the piezoelectric elements 3, such as 5 and 6 can be removed. In relation to the converter 1, the converter 1 is thus operated in a width mode of the converter 1.

Zusammengefasst ermöglicht der piezoelektrische Aktuator 2 auf Grund seiner spezifischen Ausgestaltung (Kompositaufbau, l >> w1 und w1 >> t) die Emission von Energie im Wesentlichen in eine Richtung quer zur Längsachse X des Wandlers 1, also entlang der Längsausdehnung der piezoelektrischen Elemente 3. Dabei wird unabhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente 3 eine saubere Resonanz erzielt. Mit anderen Worten, unabhängig von der Länge L des piezoelektrischen Aktuators 2 wird eine saubere Resonanz erzielt.In summary, due to its specific design (composite structure, l >> w1 and w1 >> t), the piezoelectric actuator 2 enables the emission of energy essentially in a direction transverse to the longitudinal axis X of the transducer 1, i.e. along the longitudinal extent of the piezoelectric elements 3. A clean resonance is achieved regardless of the number of piezoelectric elements 3 . In other words, regardless of the length L of the piezoelectric actuator 2, clean resonance is obtained.

Der Wandler 1 weist ferner eine Trägerschicht 4 auf. Die Trägerschicht 4 weist eine Oberseite 4a und eine Unterseite 4b auf. Die Unterseite 4b ist dabei diejenige Außenfläche der Trägerschicht 4, welche der zu untersuchenden Struktur zugewandt ist bzw. an ihr befestigt ist.The converter 1 also has a carrier layer 4 . The carrier layer 4 has an upper side 4a and an underside 4b. The underside 4b is that outer surface of the carrier layer 4 which faces the structure to be examined or is attached to it.

Die Trägerschicht 4 dient als Schutz und/oder Träger für den piezoelektrischen Aktuator 2. Der piezoelektrische Aktuator 2 ist an der Oberseite 4a der Trägerschicht 4 angeordnet und mittels eines Klebstoffs 7 (Klebstoffschicht 7) befestigt.The carrier layer 4 serves as protection and/or carrier for the piezoelectric actuator 2. The piezoelectric actuator 2 is arranged on the upper side 4a of the carrier layer 4 and is fastened by means of an adhesive 7 (adhesive layer 7).

Der Klebstoff 7 kann dabei entweder nur zwischen der Trägerschicht 4 und dem piezoelektrischen Aktuator 2 angeordnet sein (siehe 2), oder aber auch (alternativ oder zusätzlich) zwischen den einzelnen piezoelektrischen Elementen 3, wie aus der 1 hervorgeht. Der Klebstoff kann zwischen der Trägerschicht 4 und dem piezoelektrischen Aktuator 2 und zusätzlich dazu auch zwischen den einzelnen piezoelektrischen Elementen 3 angeordnet sein.The adhesive 7 can either only be arranged between the carrier layer 4 and the piezoelectric actuator 2 (see 2 ), Or (alternatively or additionally) between the individual piezoelectric elements 3, as from the 1 emerges. The adhesive can be arranged between the carrier layer 4 and the piezoelectric actuator 2 and additionally also between the individual piezoelectric elements 3 .

Eine Dicke der Trägerschicht 4 liegt im Bereich von 20 µm bis 200 µm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Dicke der Trägerschicht 4 hängt von einem Material der Trägerschicht ab. Die Trägerschicht 4 kann harte Materialien wie Stahl und Glas aufweisen. Alternativ kann die Trägerschicht ein hartes Polymer (Epoxid) oder ein weiches Polymer (Polyurethan) aufweisen. Die Klebstoffschicht 7 zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 2 und der Trägerschicht 4 ist so starr und dünn wie möglich.A thickness of the carrier layer 4 is in the range from 20 μm to 200 μm, the limits included. The thickness of the backing layer 4 depends on a material of the backing layer. The carrier layer 4 can have hard materials such as steel and glass. Alternatively, the backing may comprise a hard polymer (epoxy) or a soft polymer (polyurethane). The adhesive layer 7 between the piezoelectric actuator 2 and the support layer 4 is as rigid and thin as possible.

Der Wandler 1 weist ferner ein Schutzelement 5 auf. Das Schutzelement 5 dient zum Schutz des piezoelektrischen Aktuators 1 vor Feuchtigkeit, Staub oder anderen externen Einflüssen. Das Schutzelement 5 stabilisiert und versiegelt den Wandler 1. Der piezoelektrische Aktuator 2 ist vollständig in dem Schutzelement 5, 15 eingebettet. Ferner bedeckt das Schutzelement auch die gesamte Oberseite 4a der Trägerschicht 4.The converter 1 also has a protective element 5 . The protective element 5 serves to protect the piezoelectric actuator 1 from moisture, dust or other external influences. The protective element 5 stabilizes and seals the transducer 1. The piezoelectric actuator 2 is completely embedded in the protective element 5,15. Furthermore, the protective element also covers the entire upper side 4a of the carrier layer 4.

An einer Oberseite 3a und an einer Unterseite 3b der piezoelektrischen Elemente 3 sind Elektroden 8, 9 ausgebildet zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Aktuators 2 (siehe insbesondere die 4 und 5). Die elektrische Kontaktierung der Elektroden 9 an der Unterseite 3b der piezoelektrischen Elemente 3 (Masseelektroden 9) kann entweder über eine Wickelelektrode (so genannte wrap-up Elektrode) entweder an den langen oder kurzen Seiten der piezoelektrischen Elemente 3 erfolgen. Alternativ dazu kann die Masseelektrode 8 auch über die Trägerschicht 4 kontaktiert werden. In diesem Fall ist die Trägerschicht 4 elektrisch leitend ausgebildet.Electrodes 8, 9 are formed on a top side 3a and on a bottom side 3b of the piezoelectric elements 3 for the electrical connection of the piezoelectric actuator 2 (see in particular the 4 and 5 ). The electrical contacting of the electrodes 9 on the underside 3b of the piezoelectric elements 3 (ground electrodes 9) can take place either via a winding electrode (so-called wrap-up electrode) either on the long or short sides of the piezoelectric elements 3. As an alternative to this, the ground electrode 8 can also be contacted via the carrier layer 4 . In this case, the carrier layer 4 is designed to be electrically conductive.

Der Wandler 1 weist ferner ein Kontaktelement 6 zum elektrischen Anschluss des Wandlers 1 auf. Das Kontaktelement 6 ist zumindest teilweise in dem Schutzelement 5 eingebettet, wie aus 1 ersichtlich ist. Das Kontaktelement 6 ist dazu ausgebildet und angeordnet die Elektroden 8 auf der Oberseite 3a der piezoelektrischen Elemente 3 zu kontaktieren, wie beispielsweise aus den 1, 3 und 6 hervorgeht.The converter 1 also has a contact element 6 for the electrical connection of the converter 1 . The contact element 6 is at least partially embedded in the protective element 5, as shown in FIG 1 is evident. The contact element 6 is designed and arranged to contact the electrodes 8 on the upper side 3a of the piezoelectric elements 3, such as from FIGS 1 , 3 and 6 emerges.

Mittels der Elektroden 8 an der Oberseite 3a der piezoelektrischen Elemente 3 (Signalelektrode 8) können alle piezoelektrischen Elemente 3 parallel geschaltet werden, so dass die piezoelektrischen Elemente 3 gleichzeitig anregt werden. Die Elektroden 8 können mittels eines leitfähigen Elements 13 (siehe hierzu 6) gemeinsam durch das Kontaktelement 6 elektrisch kontaktiert und damit gleichzeitig angeregt werden.All the piezoelectric elements 3 can be connected in parallel by means of the electrodes 8 on the upper side 3a of the piezoelectric elements 3 (signal electrode 8), so that the piezoelectric elements 3 are excited simultaneously. The electrodes 8 can be connected by means of a conductive element 13 (see 6 ) are electrically contacted together by the contact element 6 and thus excited at the same time.

Alternativ dazu können die piezoelektrischen Elemente 3 aber auch einzeln elektrisch angeschlossen werden, wenn eine individuelle Anregung jedes piezoelektrischen Elements 3 gewünscht wird. Damit können die einzelnen piezoelektrischen Elemente 3 auch mit einer Zeitverzögerung zueinander angeregt werden. Somit kann eine Führung und Fokussierung der angeregten Wellen erzielt werden, was den Wandler 1 besonders effektiv macht. In diesem Fall kann das in 6 dargestellte leitfähige Element 13 entfallen.As an alternative to this, the piezoelectric elements 3 can also be electrically connected individually if an individual excitation of each piezoelectric element 3 is desired. In this way, the individual piezoelectric elements 3 can also be excited with a time delay in relation to one another. In this way, the excited waves can be guided and focused, which makes the converter 1 particularly effective. In this case the in 6 illustrated conductive element 13 omitted.

Das Kontaktelement 6 kann beispielsweise eine flexible Elektronik / ein Flex-Kabel (so genannter flex-circuit), wie in 6 dargestellt, ein UHF Koaxialkabel, oder zwei Drähte aufweisen. Die Abmessungen des Kontaktelements 6 variieren je nach verwendetem Typ. Wenn ein Flex-Kabel verwendet wird, liegt seine Dicke bevorzugt unter 200 µm. Bei einem UHF-Koaxialkabel kann mit einem Durchmesser von ≤ 2 mm, beispielsweise 1 mm, gerechnet werden. Alternative Lösungen weisen andere Abmessungen auf.The contact element 6 can, for example, be flexible electronics/a flex cable (so-called flex circuit), as in 6 shown, a UHF coaxial cable, or two wires. The dimensions of the contact element 6 vary depending on the type used. If a flex cable is used, its thickness is preferably less than 200 µm. With a UHF coaxial cable, a diameter of ≤ 2 mm, for example 1 mm, can be expected. Alternative solutions have different dimensions.

Das Kontaktelement 6 bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik. Das Kontaktelement 6 ist fest am Wandler 1 angeordnet und kann nicht vom Wandler 1 gelöst werden. Das Kontaktelement 6 kann von der zusätzlichen Elektronik, die sich außerhalb des Wandlers 1 befindet, gelöst bzw. abgesteckt werden. Der Wandler 1 kann auch mit der Dickenresonanzfrequenz (oberhalb von 1 MHz abhängig von der Dicke t der piezoelektrischen Elemente 3) betrieben werden, um vorwiegend Longitudinalwellen an der Oberfläche der zu untersuchenden Struktur zu erzeugen.The contact element 6 forms an interface to further electronics. The contact element 6 is fixed to the converter 1 and cannot be detached from the converter 1 . The contact element 6 can be detached or unplugged from the additional electronics that are located outside of the converter 1 . The transducer 1 can also be operated at the thickness resonance frequency (above 1 MHz depending on the thickness t of the piezoelectric elements 3) in order to generate predominantly longitudinal waves at the surface of the structure to be examined.

Die 3 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1, kurz Wandler 1, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Wandler 1 gemäß 1 weist der Wandler 1 in 3 ein Gehäuse 25 als Schutzelement 5 auf. In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Wandlers 1, insbesondere den piezoelektrischen Aktuator 2 mit den piezoelektrischen Elementen 3, die Trägerschicht 4 sowie das Kontaktelement 6 wird auf die obige Beschreibung verwiesen.the 3 shows a side view of a piezoelectric transducer 1, transducer 1 for short, according to a second embodiment. In contrast to the converter 1 according to 1 indicates the converter 1 in 3 a housing 25 as a protective element 5. With regard to all other features of the transducer 1, in particular the piezoelectric actuator 2 with the piezoelectric elements 3, the carrier layer 4 and the contact element 6, reference is made to the above description.

Das Gehäuse 25 ist besonders zweckmäßig um den piezoelektrischen Aktuator 2 vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere ist das Gehäuse 25 dazu ausgebildet und angeordnet, um eine mechanische Belastung der piezoelektrischen Elemente 3 sowie einen Kurzschluss der Elektroden 8, 9 des Wandlers 1 zu vermeiden.The housing 25 is particularly useful in order to protect the piezoelectric actuator 2 from external influences. In particular, the housing 25 is designed and arranged to avoid mechanical loading of the piezoelectric elements 3 and a short circuit of the electrodes 8, 9 of the transducer 1.

Das Gehäuse 25 kann beispielsweise Metall oder Plastik aufweisen. Das Gehäuse 25 ist an der Oberseite 4a der Trägerschicht 4 angeordnet. Das Gehäuse 25 weist einen Innenbereich auf, in welchem der piezoelektrische Aktuator 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 25 umschließt den piezoelektrischen Aktuator vollständig. Ferner wird wenigstens ein Teilbereich des Kontaktelements 6 vom Gehäuse 25 umschlossen. Das heißt das Kontaktelement 6 ist zumindest teilweise in das Gehäuse 25 integriert.The housing 25 may comprise metal or plastic, for example. The housing 25 is arranged on the upper side 4a of the carrier layer 4. FIG. The housing 25 has an interior area in which the piezoelectric actuator 2 is arranged. The housing 25 completely encloses the piezoelectric actuator. Furthermore, at least a partial area of the contact element 6 is enclosed by the housing 25 . This means that the contact element 6 is at least partially integrated into the housing 25 .

Der Innenbereich des Gehäuses 25 weist einen Freibereich 10 zwischen einer Außenfläche 2a des piezoelektrischen Aktuators 2 und einer Innenfläche 25a des Gehäuses 25 auf. Mit anderen Worten, Oberseite und Seitenflächen des piezoelektrischen Aktuators 2 sind von der Innenfläche 25a des Gehäuses beabstandet. Bevorzugt ist der Freibereich 10 leer, mit anderen Worten er ist frei von jeglichem Material. Auf diese Weise können Dämpfungseffekte durch ein in dem Freibereich 10 befindliches Material verhindert werden.The inner area of the housing 25 has a free area 10 between an outer surface 2a of the piezoelectric actuator 2 and an inner surface 25a of the housing 25 . In other words, the top and side surfaces of the piezoelectric actuator 2 are spaced from the inner surface 25a of the housing. Preferably, the free area 10 is empty, in other words it is free of any material. In this way, damping effects caused by a material located in the free area 10 can be prevented.

Alternativ dazu kann der Freibereich 10 mit einem Polymer oder einem Schaum ausgefüllt sein (nicht explizit dargestellt). Dies erhöht die mechanische Robustheit des Wandlers 1 und dient als zusätzlicher Schutz gegen Feuchtigkeit und/oder Staub. Das Polymer kann ein weiches Material, zum Beispiel Silikon oder Polyurethan aufweisen. Alternativ dazu kann das Polymer auch ein Epoxid aufweisen.As an alternative to this, the free area 10 can be filled with a polymer or a foam (not explicitly shown). This increases the mechanical robustness of the converter 1 and serves as additional protection against moisture and/or dust. The polymer may comprise a soft material such as silicone or polyurethane. As an alternative to this, the polymer can also have an epoxide.

Eine Dicke des Wandlers 1 inklusive Trägerschicht 4 und Schutzelement 5 ist kleiner oder gleich 3 mm. Damit ist der Wandler 1 besonders kompakt ausgebildet. Dies prädestiniert den Wandler 1 für eine Integration in besonders kleine Räume, insbesondere auch in Strukturen, die aus verschiedenen Lagen bestehen.A thickness of the converter 1 including the carrier layer 4 and the protective element 5 is less than or equal to 3 mm. The converter 1 is thus designed to be particularly compact. This predestines the converter 1 for integration in particularly small spaces, in particular also in structures that consist of different layers.

Die 7, 8a und 8b zeigen ein System zur Überwachung einer Struktur 11 und ein damit einhergehendes Überwachungsverfahren. Das System weist zwei wie oben beschriebene Wandler 1, E, R mit den Kontaktelementen 6, die dem elektrischen Anschluss der Wandler 1, E, R dienen, auf. Ein erster Wandler 1, E dient zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Das heißt, die piezoelektrischen Elemente 3 des ersten Wandlers 1, E werden zu Schwingungen angeregt, wodurch mechanische Wellen in der Struktur 11 erzeugt werden. Ein zweiter Wandler 1, R dient zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Das heißt, die in der Struktur 11 erzeugten mechanischen Wellen regen die piezoelektrischen Elemente 3 des zweiten elektrischen Wandlers 1, R wiederum zu Schwingungen an.the 7 , 8a and 8b show a system for monitoring a structure 11 and an associated monitoring method. The system has two converters 1, E, R, as described above, with the contact elements 6, which are used for the electrical connection of the converters 1, E, R. A first converter 1, E is used to convert electrical energy into mechanical energy. This means that the piezoelectric elements 3 of the first transducer 1, E are excited to oscillate, as a result of which mechanical waves are generated in the structure 11. A second converter 1, R is used to convert mechanical energy into electrical energy. This means that the mechanical waves generated in the structure 11 in turn excite the piezoelectric elements 3 of the second electrical converter 1, R to oscillate.

Eine Oberfläche, an der der Wandler 1 befestigt ist, ist flach. Diese flache bzw. ebene Fläche kann direkt zu der zu überwachenden Struktur 11 gehören. Alternativ und wenn die zu überwachende Struktur 11 gekrümmt ist, kann ein Adapter zwischen dem Wandler 1 und der Struktur 11 hinzugefügt werden, um die Geometrieabweichung zu überbrücken.A surface to which the transducer 1 is attached is flat. This flat or even surface can belong directly to the structure 11 to be monitored. Alternatively, and if the structure 11 to be monitored is curved, an adapter can be added between the transducer 1 and the structure 11 to bridge the geometry deviation.

Das Länge/Breite/Dickenverhältnis der Struktur 11 sollte so gewählt werden, dass Lamb Wellen angeregt werden. Die Struktur 11 weist eine Oberseite 11a und eine Unterseite 11b auf. Zur Überwachung der Struktur 11 werden der erste Wandler 1, E und der zweite Wandler 1, R auf einer Oberfläche (hier Oberseite 11a) mit Hilfe eines Befestigungsmittels 12 befestigt (8a). Das Befestigungsmittel 12 ist beispielsweise ein hartes Epoxid, um eine gute Übertragung der Dehnung von den piezoelektrischen Elementen 3 auf die Struktur 11 und umgekehrt zu gewährleisten. Sollen die Wandler 1, E, R wieder entfernt werden, kann beispielsweise auch ein (beispielsweise mit Aceton) wieder entfernbarer Sekundenkleber als Befestigungsmittel 12 verwendet werden.The length/width/thickness ratio of the structure 11 should be chosen such that Lamb waves are excited. The structure 11 has a top 11a and a bottom 11b. To monitor the structure 11, the first transducer 1, E and the second transducer 1, R are attached to a surface (top side 11a here) using an attachment means 12 ( 8a) . The fastener 12 is, for example, a hard epoxy to ensure good strain transmission from the piezoelectric elements 3 to the structure 11 and vice versa. If the converters 1, E, R are to be removed again, a (for example with acetone) removable superglue can also be used as the fastening means 12, for example.

Die Wandler 1, E, R werden in einem spezifischen Abstand zueinander auf der Oberfläche befestigt. Der Abstand zwischen den beiden Wandlern 1, E, R hängt von einer Anregungsfrequenz des jeweiligen Wandlers 1, E, R sowie von einer Dicke und/oder von Materialeigenschaften der zu überwachenden Struktur 11 ab.The transducers 1, E, R are mounted on the surface at a specific distance from each other. The distance between the two transducers 1, E, R depends on an excitation frequency of the respective transducer 1, E, R and on a thickness and/or material properties of the structure 11 to be monitored.

Sind die Wandler 1, E, R befestigt, werden die piezoelektrischen Elemente 3 des ersten Wandlers 1, E zu Schwingungen in die Vibrationsrichtung V (8b) angeregt. Wie bereits oben beschrieben, erstreckt sich die Hauptverformungsrichtung der piezoelektrischen Elemente 3 entlang ihrer Längsausdehnung. Der Wandler 1, E erzeugt - wie oben beschrieben - mechanische Wellen und insbesondere ein gerichtetes akustisches Feld F in der Struktur 11 (7).If the transducers 1, E, R are attached, the piezoelectric elements 3 of the first transducer 1, E are vibrated in the direction of vibration V ( 8b) stimulated. As already described above, the main direction of deformation of the piezoelectric elements 3 extends along their length. As described above, the transducer 1, E generates mechanical waves and in particular a directed acoustic field F in the structure 11 ( 7 ).

Die durch die Struktur 11 verlaufenden mechanischen Wellen werden durch den zweiten piezoelektrischen Wandler 1, R empfangen, wodurch dieser ebenfalls zu Schwingungen/Vibration angeregt wird. Die Beschaffenheit der durch den zweiten Wandler 1, R empfangenen mechanischen Wellen ist dabei abhängig von den Eigenschaften der Struktur 11. Anschließend werden die von dem zweiten Wandler 1, R empfangenen Signale ausgewertet, um den Zustand, die Qualität und/oder die Temperatur der Struktur 11 zu überwachen.The mechanical waves running through the structure 11 are received by the second piezoelectric transducer 1, R, as a result of which it is also excited to oscillate/vibrate. The nature of the mechanical waves received by the second transducer 1, R is dependent on the properties of the structure 11. The signals received by the second transducer 1, R are then evaluated, to monitor the condition, quality and/or temperature of the structure 11.

Die 9 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Wandler 1 ist - wie bereits in Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren beschrieben - dazu ausgelegt mechanische Wellen (Lamb Wellen) in einer Struktur anzuregen. Insbesondere ist der piezoelektrische Wandler 1 (im folgenden Wandler 1) dazu ausgebildet in Anwendungen zur Untersuchung des Zustands, von Temperatureffekten und/oder der Qualität platter oder plattenartiger Strukturen integriert zu werden.the 9 shows a side view of a piezoelectric transducer 1 according to a further embodiment. As already described in connection with the previous figures, the piezoelectric converter 1 is designed to excite mechanical waves (Lamb waves) in a structure. In particular, the piezoelectric transducer 1 (hereinafter transducer 1) is designed to be integrated into applications for investigating the condition, temperature effects and/or the quality of plate or plate-like structures.

Der Wandler 1 weist einen piezoelektrischen Aktuator 2, eine Trägerschicht 4, ein Schutzelement 5, 15, 25, eine obere Elektrode 8, eine untere Elektrode 9 sowie ein Kontaktelement 6 auf. In Bezug auf die Eigenschaften und Funktionen der entsprechenden Komponenten, insbesondere von Trägerschicht 4, Kontaktelement 6, Elektroden 8, 9 und Schutzelement 5, 15, 25, wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.The converter 1 has a piezoelectric actuator 2 , a carrier layer 4 , a protective element 5 , 15 , 25 , an upper electrode 8 , a lower electrode 9 and a contact element 6 . With regard to the properties and functions of the corresponding components, in particular of carrier layer 4, contact element 6, electrodes 8, 9 and protective element 5, 15, 25, reference is made to the above statements.

Im Gegensatz zu dem Wandler 1 gemäß der obigen Ausführungen, weist der piezoelektrische Aktuator 2 keine Vielzahl von piezoelektrischen Streifen, sondern eine Piezoplatte 20 auf (siehe hierzu auch 10). Der piezoelektrische Aktuator 2 bzw. die Piezoplatte 20 ist rechteckig ausgebildet. Mit anderen Worten die Piezoplatte 20 weist eine Länge L auf, welche größer ist als eine Breite B der Piezoplatte 20. Die Breite B definiert die optimale Anregungsfrequenz des Wandlers 1. Die Piezoplatte 20 weist ferner eine Dicke t auf. Die Dicke t ist bevorzugt < 2 mm.In contrast to the converter 1 according to the above explanations, the piezoelectric actuator 2 does not have a large number of piezoelectric strips, but rather a piezo plate 20 (see also 10 ). The piezoelectric actuator 2 or the piezo plate 20 is rectangular. In other words, the piezo plate 20 has a length L that is greater than a width B of the piezo plate 20. The width B defines the optimal excitation frequency of the transducer 1. The piezo plate 20 also has a thickness t. The thickness t is preferably <2 mm.

Der Wandler 1 wird im Breitenmodus der Piezoplatte 20 betrieben. Das bedeutet eine Hauptverformungsrichtung D (siehe 10) des piezoelektrischen Aktuators 2 erstreckt sich entlang der Breite B des Aktuators 2. Auf den Wandler 1 bezogen, wird der Wandler 1 folglich ebenfalls in einem Breitenmodus betrieben.The converter 1 is operated in the width mode of the piezo plate 20 . This means a main direction of deformation D (see 10 ) of the piezoelectric actuator 2 extends along the width B of the actuator 2. Referring to the transducer 1, the transducer 1 is consequently also operated in a width mode.

Der Wandler 1 ist dazu ausgestaltet an einer eben Fläche befestigt, vorzugsweise angeklebt zu werden, zur Überwachung einer Struktur 11, wie bereits in Zusammenhang mit den 1 bis 8b beschrieben wurde.The transducer 1 is designed to be fixed, preferably glued, to a flat surface for monitoring a structure 11, as already discussed in connection with FIGS 1 until 8b was described.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.The description of the objects given here is not limited to each specific embodiment. Rather, the features of the individual embodiments can be combined with one another as desired--insofar as this is technically reasonable.

Bezugszeichenlistereference list

11
Piezoelektrischer WandlerPiezoelectric transducer
22
Piezoelektrischer AktuatorPiezoelectric Actuator
2a2a
Außenfläche des piezoelektrischen AktuatorsOuter surface of the piezoelectric actuator
33
Piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
3a3a
Oberseite des piezoelektrischen ElementsTop of the piezoelectric element
3b3b
Unterseite des piezoelektrischen ElementsBottom of the piezoelectric element
44
Trägerschichtbacking layer
4a4a
Oberseite der Trägerschichttop of the backing layer
4b4b
Unterseite der Trägerschichtunderside of the backing
55
Schutzelementprotective element
66
Kontaktelementcontact element
77
Klebstoff / KlebstoffschichtAdhesive / adhesive layer
88th
Elektrode / Signalelektrodeelectrode / signal electrode
99
Elektrode / Masseelektrodeelectrode / ground electrode
1010
Freibereichfree area
1111
Strukturstructure
11a11a
Oberseitetop
11b11b
Unterseitebottom
1212
Befestigungsmittelfasteners
1313
Leitfähiges Element conductive element
1515
Polymerpolymer
2020
Piezoplattepiezo plate
2525
GehäuseHousing
25a25a
Innenfläche des Gehäuses inner surface of the housing
XX
Längsachselongitudinal axis
DD
Hauptverformungsrichtungprincipal direction of deformation
ll
Länge des piezoelektrischen ElementsLength of the piezoelectric element
LL
Länge des piezoelektrischen AktuatorsLength of the piezoelectric actuator
w1w1
Breite des piezoelektrischen ElementsWidth of the piezoelectric element
BB
Breite des piezoelektrischen AktuatorsWidth of the piezoelectric actuator
tt
Dicke des piezoelektrischen Elements / des piezoelektrischen AktuatorsThickness of the piezoelectric element/actuator
AA
Abstand zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen ElementenDistance between two adjacent piezoelectric elements
Ff
Akustisches Feldacoustic field
EE
Erster piezoelektrischer WandlerFirst piezoelectric transducer
RR
Zweiter piezoelektrischer WandlerSecond piezoelectric transducer
VV
Anvisierte VibrationsrichtungTarget vibration direction

Claims (20)

Piezoelektrischer Wandler (1) zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur (11) aufweisend: - einen piezoelektrischen Aktuator (2), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente (3) aufweist, die nebeneinander entlang einer Längsachse (X) des piezoelektrischen Wandlers (1) angeordnet sind, wobei die piezoelektrischen Elemente (3) mit relativer Zeitverzögerung zueinander angeregt werden, - eine Trägerschicht (4), wobei die Trägerschicht (4) elektrisch leitend ausgebildet ist und wobei der piezoelektrische Aktuator (2) an einer Oberseite (4a) der Trägerschicht (4) angeordnet ist, - ein Schutzelement (5, 15, 25), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) vollständig in dem Schutzelement (5) eingebracht ist, - wenigstens ein Kontaktelement (6) zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers (1), wobei das Kontaktelement (6) zumindest teilweise in das Schutzelement (5, 15, 25) integriert ist, wobei das Kontaktelement (6) flexibel ausgebildet ist und zumindest teilweise aus dem Schutzelement (5, 15, 25) herausragt, wobei das jeweilige piezoelektrische Element (3) eine Breite (w1), eine Länge (l) und eine Dicke (t) aufweist, wobei w1 >> t und l >> w1, und wobei der piezoelektrische Wandler (1) in einem Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements (3) betrieben wird.Piezoelectric transducer (1) for exciting mechanical waves in a structure (11) to be examined, having: - A piezoelectric actuator (2), the piezoelectric actuator (2) having a plurality of piezoelectric elements (3) arranged side by side along a longitudinal axis (X) of the piezoelectric transducer (1), the piezoelectric elements (3) having a relative time delay to each other are excited, - a carrier layer (4), the carrier layer (4) being designed to be electrically conductive and the piezoelectric actuator (2) being arranged on an upper side (4a) of the carrier layer (4), - a protective element (5, 15, 25), the piezoelectric actuator (2) being incorporated completely in the protective element (5), - at least one contact element (6) for the electrical connection of the piezoelectric transducer (1), the contact element (6) being at least partially integrated into the protective element (5, 15, 25), the contact element (6) being flexible and at least partially protrudes from the protective element (5, 15, 25), the respective piezoelectric element (3) having a width (w1), a length (l) and a thickness (t), where w1 >> t and l >> w1, and wherein the piezoelectric transducer (1) is operated in a longitudinal mode of the respective piezoelectric element (3). Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Elemente (3) streifenförmig ausgebildet sind.Piezoelectric converter (1) according to claim 1 , wherein the piezoelectric elements (3) are formed in strips. Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Hauptverformungsrichtung (D) des jeweiligen piezoelektrischen Elements (3) entlang der Länge (l) des piezoelektrischen Elements (3) erstreckt.Piezoelectric converter (1) according to claim 1 or 2 , wherein a main deformation direction (D) of the respective piezoelectric element (3) extends along the length (l) of the piezoelectric element (3). Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schutzelement (5, 15) ein Polymer (15) aufweist, und wobei der piezoelektrische Aktuator (2) vollständig in dem Polymer (15) eingebettet ist.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, in which the protective element (5, 15) comprises a polymer (15), and in which the piezoelectric actuator (2) is completely embedded in the polymer (15). Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schutzelement (5, 25) ein Gehäuse (25) aufweist, wobei das Gehäuse (25) den piezoelektrischen Aktuator (2) vollständig umgibt.Piezoelectric transducer (1) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the protective element (5, 25) has a housing (25), the housing (25) completely surrounding the piezoelectric actuator (2). Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 5, wobei ein Innenbereich des Gehäuses (25) einen Freibereich (10) zwischen einer Außenfläche (2a) des piezoelektrischen Aktuators (2) und einer Innenfläche (25a) des Gehäuses (25) aufweist.Piezoelectric converter (1) according to claim 5 wherein an inner area of the housing (25) has a free area (10) between an outer surface (2a) of the piezoelectric actuator (2) and an inner surface (25a) of the housing (25). Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 6, wobei der Freibereich (10) mit einem Polymer oder einem Schaum gefüllt ist.Piezoelectric converter (1) according to claim 6 , wherein the free area (10) is filled with a polymer or a foam. Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrische Aktuator (2) mit einem Klebstoff (7) an der Oberseite (4a) der Trägerschicht (4) befestigt ist.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, in which the piezoelectric actuator (2) is fixed to the upper side (4a) of the carrier layer (4) with an adhesive (7). Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (4) eine Dicke zwischen 1 µm und 200 µm aufweist.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, in which the carrier layer (4) has a thickness of between 1 µm and 200 µm. Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (t) des piezoelektrischen Aktuators (2) der Dicke (t) des jeweiligen piezoelektrischen Elements (3) entspricht, und wobei t < 1,5 mm.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, wherein a thickness (t) of the piezoelectric actuator (2) corresponds to the thickness (t) of the respective piezoelectric element (3), and wherein t < 1.5 mm. Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (A) zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Elementen (3) ≤ 1/10 der Länge (l) des jeweiligen piezoelektrischen Elements (3) beträgt.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, wherein a distance (A) between two adjacent piezoelectric elements (3) is ≤ 1/10 of the length (l) of the respective piezoelectric element (3). Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (6) wenigstens einen Draht, eine Flex-Leiterplatte oder ein UHF Koaxialkabel aufweist.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, wherein the contact element (6) has at least one wire, a flex circuit board or a UHF coaxial cable. Piezoelektrischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrische Aktuator (2) wenigstens eine obere Elektrode (8) und wenigstens eine untere Elektrode (9) aufweist und wobei das Kontaktelement (6) mit der wenigstens einen oberen Elektrode (8) elektrisch leitend verbunden ist.Piezoelectric transducer (1) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric actuator (2) has at least one upper electrode (8) and at least one lower electrode (9) and wherein the contact element (6) with the at least one upper electrode (8) is electrically conductively connected. Piezoelektrischer Wandler (1) zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur (11) aufweisend: - einen piezoelektrischen Aktuator (2), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) eine rechteckige Piezoplatte (20) aufweist, - eine Trägerschicht (4), wobei die Trägerschicht (4) elektrisch leitend ausgebildet ist und wobei der piezoelektrische Aktuator (2) an einer Oberseite (4a) der Trägerschicht (4) angeordnet ist, - ein Schutzelement (5, 15, 25), wobei der piezoelektrische Aktuator (2) vollständig in dem Schutzelement (5) eingebracht ist, - wenigstens ein Kontaktelement (6) zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers (1), wobei das Kontaktelement (6) zumindest teilweise in das Schutzelement (5, 15, 25) integriert ist, wobei das Kontaktelement (6) flexibel ausgebildet ist und zumindest teilweise aus dem Schutzelement (5, 15, 25) herausragt, wobei der piezoelektrische Wandler (1) in einem Breitenmodus der Piezoplatte (20) betrieben wird.Piezoelectric transducer (1) for exciting mechanical waves in a structure (11) to be examined, having: - a piezoelectric actuator (2), the piezoelectric actuator (2) having a rectangular piezo plate (20), - a carrier layer (4), the carrier layer (4) being designed to be electrically conductive and the piezoelectric actuator (2) being arranged on an upper side (4a) of the carrier layer (4), - a protective element (5, 15, 25), the piezoelectric actuator (2) being completely introduced into the protective element (5), - at least one contact element (6) for the electrical connection of the piezoelectric transducer (1), the contact element (6) being at least partially integrated into the protective element (5, 15, 25), the contact element (6) being flexible and at least partially protrudes from the protective element (5, 15, 25), the piezoelectric converter (1) being operated in a width mode of the piezoelectric plate (20). Piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 14, wobei der piezoelektrische Aktuator (2) an der Oberseite (4a) der Trägerschicht (4) angeordnet und mittels eines Klebstoffs (7) befestigt ist.Piezoelectric converter (1) according to Claim 14 , wherein the piezoelectric actuator (2) is arranged on the upper side (4a) of the carrier layer (4) and is fastened by means of an adhesive (7). Verfahren zur Überwachung einer Struktur aufweisend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen einer flachen Struktur (11); B) Bereitstellen eines ersten piezoelektrischen Wandlers (1, E) und eines zweiten piezoelektrischen Wandlers (1, R) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; C) Anordnen der piezoelektrischen Wandler (1, E, R) auf einer Oberfläche der Struktur (11) und Befestigung der piezoelektrischen Wandler (1, E, R) auf der Oberfläche durch ein Befestigungsmittel (12), D) Anregung von mechanischen Wellen in der Struktur (11) durch den ersten piezoelektrischen Wandler (1, E) zur Erzeugung eines gerichteten akustischen Feldes (F); E) Empfang der durch die Struktur (11) verlaufenden mechanischen Wellen durch den zweiten piezoelektrischen Wandler (1, R) ; F) Auswertung der durch den zweiten piezoelektrischen Wandler (1, R) empfangenen Wellen.Method for monitoring a structure, comprising the following steps: A) providing a flat structure (11); B) providing a first piezoelectric transducer (1, E) and a second piezoelectric transducer (1, R) according to any one of the preceding claims; C) arranging the piezoelectric transducers (1, E, R) on a surface of the structure (11) and fastening the piezoelectric transducers (1, E, R) on the surface by a fastening means (12), D) excitation of mechanical waves in the structure (11) by the first piezoelectric transducer (1, E) to generate a directed acoustic field (F); E) reception of the mechanical waves running through the structure (11) by the second piezoelectric converter (1, R); F) Evaluation of the waves received by the second piezoelectric transducer (1, R). Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Abstand zwischen den beiden piezoelektrischen Wandlern (1, E, R) auf der Oberfläche von einer Anregungsfrequenz des jeweiligen piezoelektrischen Wandlers (1, E, R) und von einer Dicke und/oder von Materialeigenschaften der zu überwachenden Struktur (11) abhängt.procedure after Claim 16 , wherein a distance between the two piezoelectric transducers (1, E, R) on the surface depends on an excitation frequency of the respective piezoelectric transducer (1, E, R) and on a thickness and/or material properties of the structure (11) to be monitored . Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Befestigungsmittel (12) einen permanenten oder einen löslichen Klebstoff umfasst.procedure after Claim 16 or 17 wherein the attachment means (12) comprises a permanent or a removable adhesive. Verwendung des piezoelektrischen Wandlers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Überwachung eines Zustands der Struktur (11) und/oder zur Überwachung von Temperatureffekten über die Struktur (11) bzw. deren Materialien.Use of the piezoelectric transducer (1) according to one of Claims 1 until 15 for monitoring a condition of the structure (11) and/or for monitoring temperature effects on the structure (11) or its materials. Verwendung des piezoelektrischen Wandlers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Überwachung eines Zustands und/oder einer Qualität von Li-Ionen Antriebsbatterien.Use of the piezoelectric transducer (1) according to one of Claims 1 until 15 for monitoring a condition and/or quality of Li-ion traction batteries.
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