EP2633700A1 - Piezoelektrischer teilflächen-schallwandler - Google Patents

Piezoelektrischer teilflächen-schallwandler

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Publication number
EP2633700A1
EP2633700A1 EP11778837.2A EP11778837A EP2633700A1 EP 2633700 A1 EP2633700 A1 EP 2633700A1 EP 11778837 A EP11778837 A EP 11778837A EP 2633700 A1 EP2633700 A1 EP 2633700A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
piezoelectric
sound transducer
transducer according
carrier
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11778837.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Polster
Claudia Arnold
Andre Gerlach
Stefan Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2633700A1 publication Critical patent/EP2633700A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/40—Details of arrangements for obtaining desired directional characteristic by combining a number of identical transducers covered by H04R1/40 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/401—2D or 3D arrays of transducers

Definitions

  • Piezoelectric Particle Transducer The present invention relates to a piezoelectric transducer below
  • the present invention relates to a sound transducer which is essentially constructed of a carrier layer and a layer of piezoelectric plastic applied thereon, wherein the piezoelectric plastic layer does not completely cover the carrier layer but has recesses.
  • Sound converters for the conversion of electrical signals into acoustic signals and vice versa have been known for over one hundred years in various forms in many fields of technology. Different principles of electro-acoustic conversion are known.
  • electro-acoustic conversion is known.
  • piezoelectric transducers are also known, as they are used for example in ultrasound transmitters. in the
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the piezoelectric properties of PVDF are the basis of various sound transducer designs. For example, an electrically conductive surface is applied to a PVDF film by vapor deposition or sputtering. The resulting structures can be used by applying an electric field as a sound transmitter or by a charge shift as Schallemp- catcher.
  • Another transducer principle is the piezocomposite Principle, in which in particular hard piezo materials are combined with each other.
  • US Pat. No. 4,638,207 discloses the use of a piezoelectric polymer based on polyvinylidene fluoride (PVDF) to provide balloon-shaped loudspeakers.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • strips consisting of a PVDF polymer layer enclosed between an outer and an inner coating are applied to a balloon, or the balloon itself is formed from a PVDF polymer layer enclosed between an outer and an inner coating.
  • transverse strain there is a movement of the plastic layer both in the layer plane, which is referred to as transverse strain, as well as in the thickness direction of the layer, which is referred to as longitudinal expansion.
  • the invention now proposes a sound converter comprising a carrier layer and a layer of a piezoelectric plastic material applied to the carrier layer, wherein the carrier layer and the piezoelectric plastic layer are connected to one another such that a dimensional change of the piezoelectric plastic layer leads to a deformation of the carrier layer and vice versa, which is characterized in that the piezoelectric plastic layer has recesses.
  • the plastic layer has recesses means in the sense of the invention that the carrier layer is not completely covered with a piezoelectric synthetic material layer, but that there are regions of the carrier layer which are not covered with a piezoelectric plastic material. These are not covered areas can be distributed symmetrically as well as asymmetrically on the carrier layer.
  • the invention thus proposes to interrupt the piezoelectric layer provided in a piezoelectric transducer based on a piezoelectric synthetic material by air cavities and thus the movement of the plastic material, in particular in the thickness direction, ie the deflection or the stroke of the piezoelectric layer by a reduction of the hindrance of the transverse strain to facilitate.
  • Suitable piezoelectric plastics are polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE), or partially fluorinated or perfluorinated polymers based on a polymer from the group consisting of polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyurethane (PU), polymethyl ( meth) acrylate (PMA / PMMA), polyolefins such as polyethylene or polypropylene (PE, PP). These plastics obtain their piezoelectric property through polarization.
  • the piezoelectric plastic layer of the sound transducer has polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the piezoelectric plastic layer is a PVDF layer.
  • the piezoelectric plastic layer may be applied to the carrier layer by different techniques.
  • the layer may be applied by means of printing techniques, spraying techniques, sputtering techniques, spin-coating techniques, adhesive techniques, laminating techniques or doctoring techniques.
  • printing techniques for applying the piezoelectric polymer layer to a carrier layer in particular printing techniques, as known from printed circuit board production, can be used to apply the piezoelectric plastic layer in a patterned manner to the carrier layer.
  • screen printing techniques, transfer or sublimation printing techniques, offset printing techniques, or non-impact techniques such as inkjet printing techniques can be used.
  • the piezoelectric plastic layer is applied to the carrier layer using adhesive or laminating techniques.
  • the piezoelectric plastic layer is provided as a film, which is then glued or laminated onto the carrier layer.
  • the structuring of the piezoelectric polymer layer can take place before the film is adhesively bonded to the carrier layer or else afterwards.
  • the recesses to be provided can be cut out by means of a knife or by using a suitable laser.
  • the recesses in the piezoelectric polymer layer may be such that discrete piezoelectric regions arise in the sound transducer. These discrete areas may be connected electrically in series or in parallel. In particular, however, it can also be provided that these discrete piezoelectric regions are controlled separately by means of a suitable contacting and by using a corresponding drive electronics. This makes it possible to combine the individual discrete piezoelectric plastic layer regions of the sound transducer to a transducer array.
  • the support layer in a sound transducer according to the invention may itself be a foil, such as a plastic or metal foil, or may be formed of another material which is sufficiently flexible to be deflected by the piezoelectric plastic material upon application of a corresponding signal, or at deflection by the impact of a
  • a contact or electrode surface For electrical contacting of the piezoelectric plastic layer can be applied to this a contact or electrode surface. This can be done for example by vapor deposition, sputtering or electroplating a conductive metal layer in a portion of the piezoelectric layer of plastic.
  • a suitable signal source for a sound signal or one ner evaluation device for the implementation of an incident on the transducer sound wave in an electrical or digital signal if necessary with the interposition of matching devices such as signal amplifiers connected.
  • the carrier layer is at least partially formed as an electrode.
  • at least in some areas may be made conductive on the carrier layer.
  • the entire carrier layer is electrically conductive and can thus be used over the entire contact area with the piezoelectric plastic layer as an electrode.
  • Suitable materials for serving as carrier layer in such an embodiment of the invention are, for example, metal foils or electrically conductive plastic films, for example based on intrinsically conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene or polypyrrole, or by suitable doping with conductive particles such as Aluminum particles or carbon black electrically conductive plastics based on PC, PMA, PMMA, PE, PET, PTFE, PU, PP or the like.
  • the piezoelectric polymer layer is bounded on both sides by a carrier layer, so that a sandwich structure is formed.
  • the one or both carrier layers are conductive at least in some areas.
  • the sound transducer operates in the region of the recesses of the piezoelectric plastic layer as an electrostatic sound transducer.
  • the areas of the piezoelectric activity ie the areas in which the carrier foils are covered with the piezoelectric plastic layer, and the areas of the electrostatic activity, ie the areas in which the piezoelectric layer has recesses, are electrically separated .
  • the sound transducer is used in the areas in which he works as a piezoelectric transducer for sound emission, while he works in the areas where he works as an electrostatic transducer for Schallemp ferment. is used.
  • Such an embodiment makes it possible, in particular, to use the sound transducer as a human-machine interface (HMI), for example in the field of computer technology, mobile radio technology, or in the automotive field.
  • HMI human-machine interface
  • the sound transducers according to the invention can be used in particular in weather-prone outdoor areas or in damp rooms.
  • FIGS. 1 to 5 show different embodiments of a sound transducer according to the invention
  • 6 shows an embodiment of a sound transducer according to the invention with perforations
  • FIG. 7 different array arrangements according to the invention sound transducer.
  • 1 shows an inventive sound transducer 1, in which a layer 3 of a piezoelectric plastic is applied to a carrier foil 2, which is formed from an electrically conductive material, such as an electrically conductive plastic foil or metal foil.
  • the piezoelectric polymer layer is not applied over the entire surface of the carrier film 2, but know recess 4.
  • the carrier film 2 and the piezoelectric layer 3 are connected together in such a way that a dimensional change of the piezoelectric plastic layer 3 leads to a deformation of the carrier layer 2 and vice versa.
  • the carrier film 2 simultaneously forms an electrode for electrical contacting of the piezoelectric plastic layer 3.
  • a further layer 7 can be provided, which in the embodiment shown is also electrically conductive
  • the layers 2, 3 and 7 form a sandwich-like structure.
  • the piezoelectric plastic layer 3 can be applied to the carrier film by means of different techniques, with printing, spin coating and laminating techniques in particular being preferred.
  • the further layer 7 can be applied by means of laminating techniques.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a sound transducer according to the invention, in which an electrode layer 8 for electrically contacting the piezoelectric plastic layer 3 is arranged between the carrier layer 2 and the piezoelectric plastic layer 3.
  • This embodiment of the sound transducer is also shown as a sandwich construction, in which the piezoelectric plastic layer 3 is bounded on the side opposite the carrier layer 2 by a further layer 7. Between the further layer 7 and the piezoelectric layer 3, an electrode layer 8 is likewise arranged again.
  • the carrier layer 2 and the further layer 7 may be formed on identical or different materials in order to optimize the vibration behavior of the sound transducer.
  • the carrier layer 2 and the further layer 7 may have different thickness, wherein the layer thickness may preferably vary in a range between 5 ⁇ and 500 ⁇ .
  • the further layer 7 may be at least partially formed by a body, such as a housing or housing part. Here, the body can also serve to support the transducer.
  • the layer thickness of the piezoelectric polymer layer is preferably in a range ⁇ 100 ⁇ .
  • the electrode layer 8 may be applied to the layers 2 and 7 by means of conventional coating techniques such as electrodeposition, sputtering, vapor deposition, or may be formed by an electrically conductive film which is glued or laminated onto the layers 2 or 7. For the final production of the sound transducer then the layers or layer composites can be joined together by means of adhesive or laminating techniques.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a sound transducer according to the invention with the layer sequence carrier layer 2, electrode layer 8, piezoelectric plastic layer 3, electrode layer 8.
  • the electrode layers 8 are preferably formed from electrically conductive foils.
  • FIG. 4 shows a sound transducer identical in terms of the layer sequence with the sound transducer shown in FIG. 2, in which, however, at least one of the electrode layers 8 in the region of the recesses 4 of the piezoelectric plastic layer 3 is interrupted.
  • This embodiment of a sound transducer according to the invention allows a further adaptation of the
  • FIG. 5 shows an embodiment of a sound transducer according to the invention which, in terms of the layer sequence, is similar to the embodiment shown in FIG. 2.
  • the sound transducer operates in the region 10 in which the piezoelectric plastic layer 3 is arranged as an electrodynamic sound transducer while it operates in the region of the recess 4 as an electrostatic sound transducer.
  • the dynamic combination of electrodynamic and electrostatic sound conversion optimizes the dynamics of the transducer. In the case of the sound transducers according to the invention, this optimization can be achieved simply by suitable design and distribution of the recess 4 in the piezoelectric plastic layer 3.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a sound transducer according to the invention, in which recesses 9 are provided, which not only exist in the piezoelectric layer 3, but also in the carrier layer 2 and the further layer 7.
  • recesses 9 serve the carrier layer 2 and the 1 as well as an electrode for electrically contacting the piezoelectric layer 3.
  • the embodiment shown can be produced in a simple manner as a closed layer composite with the layer sequence carrier layer 2, piezoelectric plastic layer 3, further layer 7, from which Subsequently, the recess 9 are removed by means of cutting or punching techniques. This allows a simple and inexpensive production process.
  • the plane of the sound transducer can be provided 9, for example, a honeycomb distribution of the recesses.
  • FIG. 7 shows sound transducers according to the invention having different distributions of the piezoelectric polymer layer on a carrier layer 2, wherein the piezoelectric plastic layer forms discrete regions 5.
  • the discrete piezoelectrical Riche plastic layer regions 5 can be controlled separately by means of an electronic control unit 6.
  • a discrete area 5a may be provided for generating sound while a discrete area 5b is provided for receiving sound.
  • HMI human-machine interface

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schallwandler (1) unter Verwendung eines piezoelektrischen Kunststoffmaterials. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Schallwandler (1), welcher im Wesentlichen aus einer Trägerschicht (2) und einer darauf aufgebrachten Schicht (3) eines piezoelektrischen Kunststoffes aufgebaut ist, wobei die piezoelektrische Kunststollschicht (3) die Trägerschicht (2) nicht vollständig abdeckt, sondern Ausnehmungen (4) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Piezoelektrischer Teilflächen-Schallwandler Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schallwandler unter
Verwendung eines piezoelektrischen Kunststoff materials. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Schallwandler, welcher im Wesentlichen aus einer Trägerschicht und einer darauf aufgebrachten Schicht eines piezoelektrischen Kunststoffes aufgebaut ist, wobei die piezoelektrische Kunststoffschicht die trägerschicht nicht vollständig abdeckt, sondern Ausnehmungen aufweist.
Stand der Technik
Schallwandler zur Umwandlung von elektrischen Signalen in akustische Signale und umgekehrt sind seit über einhundert Jahren in unterschiedlichster Form in vielen Bereichen der Technik bekannt. Dabei sind unterschiedliche Prinzipien der elektroakustischen Umwandlung bekannt. Neben elektromagnetischen Schallwandlern, wie sie z.B. in Spulenlautsprechern zum Einsatz gelangen, elektrodynamischen oder elektrostatischen Schallwandlern, wie sie z.B. in Mikrofonen oder Kopfhören zum Einsatz gelangen, sind auch piezoelektrische Schallwandler bekannt, wie sie beispielsweise in Ultraschallgebern zum Einsatz gelangen. Im
Bereich der piezoelektrischen Schallwandler ist neben der Verwendung von Pie- zokeramiken auch der Einsatz von piezoelektrischen Kunststoffen zur Umsetzung von elektrischen Signalen in akustische Signale, und umgekehrt, bekannt. Ein bekannter Kunststoff mit piezoelektrischen Eigenschaften ist Polyvinyliden- fluorid (PVDF). Die piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF sind die Grundlage verschiedener Schallwandler-Designs. So wird beispielsweise auf eine PVDF- Folie eine elektrisch leitfähige Fläche durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht. Die so entstandenen Gebilde können durch Anlegen eines elektrischen Feldes als Schallsender oder durch eine Ladungsverschiebung als Schallemp- fänger verwendet werden. Ein weiteres Wandlerprinzip ist das Piezokomposit- Prinzip, bei welchem insbesondere harte Piezomaterialien miteinander Kombiniert werden.
Die US- Patentschrift US 4,638,207 offenbart die Verwendung eines piezoelektri- sehen Polymers auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF) zur Bereitstellung bal- lonförmiger Lautsprecher. Hierzu werden Streifen, welche aus einem zwischen einer äußeren und einer inneren Beschichtung eingeschlossenen PVDF- Polymerschicht bestehen, auf einen Ballon aufgebracht, oder der Ballon selbst wird aus einem zwischen einer äußeren und einer inneren Beschichtung einge- schlossenen PVDF-Polymerschicht gebildet.
Bei den beschriebenen Schallwandlern auf Basis piezoelektrischer Kunststoffe kommt es zu einer Bewegung der Kunststoffschicht sowohl in der Schichtebene, welche als Querdehnung bezeichnet wird, als auch in Dickenrichtung der Schicht, welche als Längsdehnung bezeichnet wird. Die Querdehnung der
Schicht wird jedoch lokal durch das umgebende Kunststoffmaterial behindert, was sowohl im Sendebetrieb, also bei der Verwendung des Schallwandlers als Lautsprecher, als auch im Empfangsbetrieb, also bei der Verwendung des Schallwandlers als Mikrofon, auftritt. Diese Behinderung der Querdehnung führt zu einer Beschränkung Dynamik des Schallwandlers. Insbesondere ist die Auslenkung der Kunststoffschicht aus der Ebene heraus, was zur Erzeugung oder Aufnahme eine Schallwelle notwendig ist, deutlich eingeschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird nun ein Schallwandler, aufweisend eine Trägerschicht und eine auf die Trägerschicht aufgebrachte Schicht eines piezoelektrischen Kunststoffmaterials vorgeschlagen, wobei die Trägerschicht und die piezoelektrische Kunststoffschicht derart miteinander verbunden sind, dass eine Dimensionsänderung der piezoelektrischen Kunststoffschicht zu einer Verformung der Träger- schicht führt und umgekehrt, welcher dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Kunststoffschicht Ausnehmungen aufweist.
Dass die Kunststoffschicht Ausnehmungen aufweist bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Trägerschicht nicht vollständig mit einer piezoelektrischen Kunst- Stoffschicht bedeckt ist, sondern dass es Bereiche der Trägerschicht gibt, welche nicht mit einem piezoelektrischen Kunststoffmaterial bedeckt sind. Diese nicht bedeckten Bereiche können sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch auf der Trägerschicht verteilt angeordnet sein.
Durch das erfindungsgemäße vorsehen von Ausnehmungen in der piezoelektrischen Kunststoffschicht wird die Behinderung der Querdehnung deutlich verringert, wodurch sich die Dynamik des Schallwandlers verbessert.
Mit der Erfindung wird somit vorgeschlagen, die in einem piezoelektrischen Schallwandler auf Basis eines piezoelektrischen Kunststoffe vorgesehene piezoelektrische Schicht durch Lufthohlräume zu unterbrechen und so die Bewegung des Kunststoffmaterials insbesondere in Dickenrichtung, also die Auslenkung oder den Hub der piezoelektrischen Schicht durch eine Reduktion der Behinderung der Querdehnung zu erleichtern.
Geeignete piezoelektrische Kunststoff sind Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvi- nylidenfluorid-Trifluorethylen (PVDF-TrFE), oder teilfluorierte oder perfluorierte Polymere auf Basis eines Polymers der Gruppe bestehend aus Polycarbonat (PC), Polyimid (PI), Polyurethan (PU), Polymethyl(meth)acrylat (PMA/PMMA), Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen (PE, PP). Diese Kunststoffe erlangen ihre piezoelektrische Eigenschaft durch Polarisation. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weißt die piezoelektrische Kunststoffschicht des Schallwandlers Polyvinylidenfluorid (PVDF) auf. Besonders bevorzugt ist die piezoelektrische Kunststoffschicht eine PVDF-Schicht.
Die piezoelektrische Kunststoffschicht kann auf die Trägerschicht mittels unterschiedlicher Techniken aufgebracht sein. Insbesondere kann die Schicht mittels Drucktechniken, Sprühtechniken, Sputtertechniken, Spin-Coating-Techniken, Klebetechniken, Laminiertechniken oder Rakeltechniken aufgebracht sein. Bei Verwendung von Drucktechniken zur Aufbringung der piezoelektrischen Kunststoffschicht auf eine Trägerschicht können insbesondere Drucktechniken, wie sie aus der Leiterplattenherstellung bekannt sind, eingesetzt werden, um die piezoelektrische Kunststoffschicht strukturiert auf die Trägerschicht aufzubringen. Hierbei können insbesondere Siebdrucktechniken, Transfer- oder Sublimationsdrucktechniken, Offset-Drucktechniken, oder auch non-impact Techniken wie beispielsweise Tintenstrahl-Drucktechniken eingesetzt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die piezoelektrische Kunststoffschicht unter Verwendung von Klebe- oder Laminiertechniken auf die Trägerschicht aufgebracht. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die piezoelektrische Kunststoffschicht als Folie bereitgestellt wird, welche dann auf die Träger- schicht aufgeklebt oder auflaminiert wird. Die Strukturierung der piezoelektrischen Kunststoffschicht kann dabei vor dem Aufkleben der Folie auf die Trägerschicht, oder auch danach erfolgen. Zur Strukturierung der Folie können die vorzusehenden Ausnehmungen mittels eines Messers oder unter Verwendung eines geeigneten Lasers ausgeschnitten werden.
Die Ausnehmungen in der piezoelektrischen Kunststoffschicht können derart sein, dass diskrete piezoelektrische Bereiche in dem Schallwandler entstehen. Diese diskreten Bereiche können elektrische seriell oder parallel miteinander Verbunden werden. Insbesondere kann es aber auch vorgesehen sein, dass die- se diskreten piezoelektrischen Bereiche mittels einer geeigneten Kontaktierung und unter Verwendung einer entsprechenden Ansteuerungselektronik separat angesteuert werden. Hierdurch ist es möglich, die einzelnen diskreten piezoelektrischen Kunststoffschichtbereiche des Schallwandlers zu einem Schallwandler- Array zusammenzufassen.
Die Trägerschicht in einem erfindungsgemäßen Schallwandler kann ihrerseits eine Folie, wie beispielsweise eine Kunststoff- oder Metallfolie sein, oder aus einem anderen Material gebildet sein, welches hinreichend flexible ist, um durch das piezoelektrische Kunststoffmaterial bei Anlegen eines entsprechenden Sig- nals ausgelenkt zur werden, oder bei Auslenkung durch das Auftreffen einer
Schallwelle auf die Trägerschicht eine Ladungsverschiebung in der piezoelektrischen Schicht zu erzeugen.
Zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Kunststoffschicht kann auf diese eine Kontakt- oder Elektrodenfläche aufgebracht sein. Dies kann beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder galvanisches Aufbringen einer leitfähigen Metallschicht in einem Teilbereich der piezoelektrischen Kunststoffschicht erfolgen. Über diese elektrische Kontaktierung kann der erfindungsgemäße Schallwandler mit einer geeigneten Signalquelle für ein Tonsignal oder ei- ner Auswerteeinrichtung zur Umsetzung der durch eine auf den Schallwandler auftreffenden Schallwelle in ein elektrisches oder digitales Signal, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Anpassungseinrichtungen wie beispielsweise Signalverstärkern, verbunden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Trägerschicht zumindest teilweise als Elektrode ausgebildet. Hierzu kann auf die Trägerschicht zumindest in Teilbereichen leitfähig gestaltet sein. In einer weiteren Ausgestaltung ist die gesamte Trägerschicht elektrisch leitfähig und kann somit über den gesamten Kontaktbereich mit der piezoelektrischen Kunststoffschicht als Elektrode genutzt werden. Geeignete Materialien, um in einer solchen Ausführungsform der Erfin- dung als Trägerschicht dienen zu können, sind beispielsweise Metallfolien oder elektrisch leitfähige Kunststofffolien, beispielweise auf Basis intrinsisch leitfähiger Polymere wie Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen oder Polypyrrol, oder auch durch geeignete Dotierung mit leitfähigen Partikeln wie Aluminiumpartikeln oder Ruß elektrisch leitfähig ausgerüstete Kunststoffe auf Basis von PC, PMA, PMMA, PE, PET, PTFE, PU, PP oder dergleichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die piezoelektrische Kunststoffschicht beidseitig von einer Trägerschicht begrenzt, so dass ein Sandwich- Aufbau entsteht. Auch hierbei kann es vorgesehen sein, dass die eine oder beide Trägerschichten zumindest in Teilbereichen leitfähig sind. Durch das beidseitige
Vorsehen einer Trägerfolie und dem damit einhergehenden Sandwich-Aufbau wird die für die Schallabstrahlung oder den Schallempfang wirksame Oberfläche vergrößert, was zu einer weiteren Verbesserung der Dynamik des Schallwandlers führt.
Durch das beidseitige Vorsehen einer Trägerfolie wird darüber hinaus erreicht, dass der Schallwandler in dem Bereich der Ausnehmungen der piezoelektrischen Kunststoffschicht als elektrostatischer Schallwandler arbeitet. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Bereiche der piezoelektrischen Aktivität, also die Bereiche in welchen die Trägerfolien mit der piezoelektrischen Kunststoffschicht bedeckt sind, und die Bereiche der elektrostatischen Aktivität, also die Bereiche in denen die piezoelektrische Schicht Ausnehmungen aufweist, elektrisch getrennt angesteuert werden. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass der Schallwandler im den Bereichen in denen er als piezoelektrischer Schallwandler arbeitet zur Schallaussendung genutzt wird, während er in den Bereichen in denen er als elektrostatischer Schallwandler arbeitet zum Schallemp- fang genutzt wird. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht insbesondere die Verwendung des Schallwandlers als Mensch-Maschinen-Schnittstelle (HMI), beispielsweise im Bereich der Computertechnik, der Mobilfunktechnik, oder im Au- tomotiv-Bereich.
Die erfindungsgemäßen Schallwandler können insbesondere in witterungsge- fährdeten Außenbereichen oder in Feuchträumen zum Einsatz gelangen.
Nachfolgend werden die erfindungsgemäßen Schallwandler anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 bis Fig. 5 unterschiedliche Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Schallwandlers; Fig. 6 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers mit Perforationen;
Fig. 7 unterschiedliche Arrayanordnungen erfindungsgemäßer Schallwandler. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schallwandler 1 gezeigt, bei welchem auf eine Trägerfolie 2, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material wie eine elektrisch leitfähige Kunststofffolie oder Metallfolie gebildet ist, eine Schicht 3 eines piezoelektrischen Kunststoffs aufgebracht ist. Hierbei ist die piezoelektrische Kunststoffschicht nicht vollflächig auf die Trägerfolie 2 aufgebracht, sondern weißt Ausnehmung 4 auf. Die Trägerfolie 2 und die piezoelektrische Schicht 3 sind dabei derart miteinander Verbunden, dass eine Dimensionsänderung der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3 zu einer Verformung der Trägerschicht 2 führt und umgekehrt. Durch die Ausnehmung 4 wird die Hinderung der Querdehnung der piezoelektrischen Kunststoffschicht minimiert, wodurch eine größere Gesamtauslenkung der Trägerfolie 2 ermöglicht wird. Hierdurch verbessert sich die Dynamik des Schallwandlers. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers bildet die Trägerfolie 2 gleichzeitig eine Elektrode zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3. Wie in der Abbildung weiter ersichtlich kann eine weitere Schicht 7 vorgesehen sein, welche in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls als elektrisch leitfähige
Folie ausgeführt ist und somit auch eine Elektrode bildet. Die Schichten 2, 3 und 7 bilden einen sandwichartigen Aufbau. Die piezoelektrische Kunststoffschicht 3 kann mittels unterschiedlicher Techniken auf die Trägerfolie aufgebracht sein, wobei insbesondere Druck, Spin-Coating und Laminiertechniken bevorzugt sind. Die weitere Schicht 7 kann mittels Laminiertechniken aufgebracht werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, bei welchem zwischen der Trägerschicht 2 und der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3 eine Elektrodenschicht 8 zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3 angeordnet ist. Auch diese Ausgestaltung des Schallwandlers ist als Sandwich-Aufbau gezeigt, bei welchem die piezoelektrische Kunststoffschicht 3 auf der der Trägerschicht 2 gegenüberliegenden Seite von einer weiteren Schicht 7 begrenzt ist. Zwischen der weiteren Schicht 7 und der piezoelektrischen Schicht 3 ist ebenfalls wieder eine Elektrodenschicht 8 angeordnet. Die Trägerschicht 2 sowie die weitere Schicht 7 können auf identischen oder auch unterschiedlichen Materialien gebildet sein, um das Schwingverhalten des Schallwandlers zu optimieren. Ebenso können die Trägerschicht 2 und die weitere Schicht 7 unterschiedliche Dicke aufweisen, wobei die Schichtdicke vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 μηι und 500 μηι variieren kann. Die weitere Schicht 7 kann zumindest auch teilweise durch einen Körper, wie beispielsweise ein Gehäuse oder Gehäuseteil, gebildet sein. Hierbei kann der Körper auch zur Abstützung des Schallwandlers dienen. Die Schichtdicke des piezoelektrischen Kunststoffschicht liegt bevorzugt in einem Bereich <100 μηι. Die Elektrodenschicht 8 kann auf die Schichten 2 und 7 mittels üblicher Be- schichtungstechniken wie beispielsweise galvanischer Abscheidung, Sputtern, aufdampfen aufgebracht sein, oder auch durch eine elektrisch leitfähige Folie gebildet sein, welche auf die Schichten 2 oder 7 aufgeklebt oder auflaminiert ist. Zur Endfertigung des Schallwandlers können dann die Schichten bzw. Schichtverbunde mittels Klebe- oder Laminiertechniken zusammengefügt werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers mit der Schichtabfolge Trägerschicht 2, Elektrodenschicht 8, piezoelektrische Kunststoffschicht 3, Elektrodenschicht 8. Hierbei sind die Elektrodenschichten 8 vorzugsweise aus elektrisch leitfähigen Folien gebildet. Auch dieser Sandwich-Verbund lässt sich in der zu Fig. 2 ausgeführten Weise fertigen. Fig. 4 zeigt einen hinsichtlich der Schichtabfolge mit dem in der Fig. 2 gezeigten Schallwandler identischen Schallwandler, bei welchem jedoch zumindest eine der Elektrodenschichten 8 im Bereich der Ausnehmungen 4 der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3 unterbrochen ist. Diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schallwandlers ermöglicht eine weitere Anpassung des
Schwingverhaltens, da der Einfluss der Elektrodenschichten 8 auf das Schwingverhalten reduziert wird.
Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, welche hinsichtlich der Schichtfolge der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform gleicht. In der gezeigten Ausführungsform arbeitet der Schallwandler im Bereich 10, in welchem die piezoelektrische Kunststoffschicht 3 angeordnet ist als elektrodynamischer Schallwandler, während er im Bereich der Ausnehmung 4 als elektrostatischer Schallwandler arbeitet. Durch die gezielte Kombination von elektrodynamischer und elektrostatischer Schallwandlung lässt sich die Dynamik des Schallwandlers optimieren. Bei den erfindungsgemäßen Schallwandlern lässt sich diese Optimierung einfach durch geeignete Gestaltung und Verteilung der Ausnehmung 4 in der piezoelektrischen Kunststoffschicht 3 erreichen.
Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, bei welchem Ausnehmungen 9 vorgesehen sind, welche nicht nur in der piezoelektrischen Schicht 3 bestehen, sondern auch in den Trägerschicht 2 und der weiteren Schicht 7. In der gezeigten Ausführungsform dienen dabei die Trägerschicht 2 und die weitere Schicht 7 in der zu Fig. 1 erläuterten Weise auch als Elektrode zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 3. Die gezeigt Ausführungsform lässt sich in einfacher Weise als geschlossenen Schichtverbund mit der Schichtfolge Trägerschicht 2, piezoelektrische Kunststoffschicht 3, weitere Schicht 7 fertigen, aus welcher anschließend mittels Schneide- oder Stanztechniken die Ausnehmung 9 herausgelöst werden. Dies ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Produktionsprozess. In der Ebene des Schallwandlers kann dabei beispielsweise eine wabenartige Verteilung der Ausnehmungen 9 vorgesehen sein.
Fig. 7 zeigt erfindungsgemäße Schallwandler unterschiedlichen Verteilungen der piezoelektrischen Kunststoffschicht auf einer Trägerschicht 2, wobei die piezoelektrische Kunststoffschicht diskrete Bereiche 5 bildet. Die diskreten piezoelekt- rischen Kunststoffschichtbereiche 5 können dabei mittels einer Steuerelektronik 6 separat angesteuert werden. So kann beispielsweise ein diskreter Bereich 5a zur Schallerzeugung vorgesehen sein, während ein diskreter Bereich 5b zum Empfang von Schall vorgesehen ist. Dies ermöglicht einen Schallwandler bereitzustel- len, welcher sowohl als Lautsprecher, als auch als Mikrofon arbeiten kann. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere bei der Verwendung des Schallwandlers als HMI (Mensch-Maschinen-Schnittstelle) günstig, da so die beiden Funktionalitäten der Schallerzeugung und des Schallempfangs in einem Schallwandler sehr raumsparend miteinander vereint werden können.

Claims

Ansprüche
Schallwandler (1), aufweisend eine Trägerschicht (2) und eine auf die Trägerschicht (2) aufgebrachte Schicht (3) eines piezoelektrischen Kunststoffmaterials, wobei die Trägerschicht (2) und die piezoelektrische Kunststoffschicht (3) derart miteinander verbunden sind, dass eine Dimensionsänderung der piezoelektrischen Kunststoffschicht (3) zu einer Verformung der Trägerschicht (2) führt und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Kunststoffschicht (3) Ausnehmungen (4) aufweist.
Schallwandler gemäß Anspruch 1 , wobei das piezoelektrische Kunststoffmaterial Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.
Schallwandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffschicht (3) auf die Trägerschicht (2) mittels Drucktechniken, Sprüh techniken, Sputtertechniken, Klebetechniken, Laminiertechniken oder Rakeltechniken aufgebracht ist.
Schallwandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (2) zumindest teilweise als Elektrode ausgebildet ist.
Schallwandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (4) derart sind, dass die piezoelektrische Schicht eine Mehrzahl diskreter Abschnitte (5) auf der Trägeroberfläche (2) ausbildet.
Schallwandler gemäß Anspruch 5, wobei die diskreten piezoelektrischen Kunststoffschichtabschnitte (5) elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
Schallwandler gemäß Anspruch 5, wobei die diskreten piezoelektrischen Kunststoffschichtabschnitte (5) einzeln über eine Steuerelektronik (6) ansteuerbar sind.
Schallwandler gemäß Anspruch 7, wobei wenigstens ein Abschnitt (5a) der diskreten piezoelektrischen Kunststoffschichtabschnitte (5) als Mikrofon und wenigstens ein Abschnitt 5(b) als Lautsprecher über die Steuerelektronik (6) geschaltet ist.
9. Schallwandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Kunststoffschicht (3) zusammen mit der Trägerschichten (2) und einer weiteren Schicht (7) eine Sandwichstruktur ausbildet, bei welchem die piezoelektrische Kunststoffschicht (3) eine mittlere Schicht ausbildet.
10. Verwendung eines Schallwandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als Lautsprecher und/oder Mikrofon, insbesondere zur Verwendung im witte- rungsgefährdeten Außenbereich.
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