EP3386648A1 - Schallwandleranordnung mit ringförmigen verbindungsbereichen und verfahren zur herstellung einer schallwandleranordnung mit ringförmigen verbindungsbereichen - Google Patents

Schallwandleranordnung mit ringförmigen verbindungsbereichen und verfahren zur herstellung einer schallwandleranordnung mit ringförmigen verbindungsbereichen

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Publication number
EP3386648A1
EP3386648A1 EP16781792.3A EP16781792A EP3386648A1 EP 3386648 A1 EP3386648 A1 EP 3386648A1 EP 16781792 A EP16781792 A EP 16781792A EP 3386648 A1 EP3386648 A1 EP 3386648A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
plate carrier
sound transducer
transducer assembly
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16781792.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd SCHEUFELE
Andre Gerlach
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 EP3386648A1 publication Critical patent/EP3386648A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer assembly according to the preamble of claim 1 and a method for producing such
  • Document DE 39 20 872 A1 discloses a method for the production of ultrasound layer transducers in which the piezoceramic and thermoplastic plastic material of the layer converter are connected to one another by heat bonding. To generate the heat necessary for bonding, heat loss is produced in the piezoceramic by applying electrical signals.
  • Document DE 10 2004 047 814 A1 describes a focusing micromachined ultrasound transducer array which is clinically focusing
  • the sound transducer arrangement comprises a perforated plate carrier with a plurality of through openings, a plurality of piezo elements and a terminating layer.
  • Each piezoelectric element has a first electrode and a second electrode. The first electrode faces the second electrode. Within a passage opening, a piezoelectric element is arranged in each case.
  • Finishing layer is disposed above the perforated plate carrier and the piezoelectric elements, wherein the second electrodes of the piezoelectric elements with the
  • the terminating layer and the perforated plate carrier have first connecting regions, which are arranged concentrically around the through-openings, the first connecting regions each having a larger diameter than the through-openings and the first connecting regions being of annular design.
  • the top layer and the hole plate carrier on second connection areas, which are arranged concentrically around the through holes.
  • the second connection regions have a larger diameter than the first connection regions.
  • Connection areas are designed annular.
  • first connection regions each have a weld seam.
  • each first connection region comprises a weld seam.
  • Finishing layer and the perforated plate carrier is particularly stable and robust and has a high quality.
  • the finishing layer is integrally formed.
  • the finishing layer has a plurality of sections, wherein in each case one section of the finishing layer is provided with one each
  • Piezoelectric element is electrically connected.
  • the portion that is electrically connected to the piezoelectric element acts as a membrane of the bending transducer element.
  • the second connection areas have a
  • the top layer and the bottom layer are identical to each other.
  • Connecting region connects an edge region of the terminating layer with an edge region of the perforated plate carrier.
  • connection region as a seal of the entire sound transducer arrangement with respect to z.
  • the third connection region has a weld seam.
  • Acoustic transducer assembly comprising a perforated plate carrier, a plurality
  • a plurality of piezoelectric elements and a terminating layer comprises the connecting of second electrodes of the piezoelectric elements with the finishing layer. Furthermore, the method comprises contacting first electrodes of the piezoelements by means of wire bonding, wherein the first electrodes are arranged opposite to the second electrodes and the joining of the terminating layer and the perforated plate carrier by means of a weld. In addition, the method includes partially filling the through openings with a damping material.
  • the advantage here is that the transducer assembly can be cost-optimized and easily manufactured.
  • Figure lb is a plan view of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a process for the preparation of the inventive
  • FIG. 1 shows a sectional view in the xz plane of the first embodiment of a sound transducer arrangement 100.
  • the sound transducer arrangement 100 shows, by way of example, three sound transducer elements or flexural transducer elements 115, which are arranged parallel to one another.
  • a bending transducer element 115 in this case comprises a piezoelement 104, a membrane 114 which uses a Finishing layer 103 is formed, a hole plate carrier 101 and
  • the acoustic transducer assembly 100 includes a
  • Punch plate carrier 101 which has a plurality of through holes 111 and holes.
  • the perforated plate carrier 101 has an upper side and a
  • the passage openings 111 are arranged concentrically to the piezoelements 104, wherein each passage opening 111 in each case accommodates a piezoelement 104 which is introduced from the upper side into the passage opening 111 or terminates flush with the upper side.
  • the piezo elements 104 have a smaller diameter than the passage openings 111. In other words, the piezo element 104 is located within the passage opening 111 or the hole.
  • Each piezo element 104 has a first electrode 105 and a second electrode 106.
  • the first electrode 105 is connected by means of a wire connection, for example, with an amplifier circuit and acts as a signal line or
  • the second electrode 106 is electrically conductively connected by means of an adhesive layer 107 to the terminating layer 103.
  • the termination layer 103 is connected to an electrical ground, for example the amplifier circuit ground. That is, the second electrode 105 is grounded, thereby performing EMC shielding.
  • the piezo elements 104 can be electrically conductively connected via two wire connections to the electrical ground and the amplifier circuit.
  • the second electrode 106 is contacted over the edge of the piezoelectric element 104, so that on the side of the first electrode 105 there are two separate electrode regions, which can be contacted separately from one another.
  • the piezoelements 104 can be connected to the terminating layer 103 with an electrically nonconductive adhesive layer.
  • Each bending transducer element 115 has a first connecting region 108 which adjusts or ensures the edge clamping of the bending transducer element 115 or the membrane 114.
  • the term first connection region 108 is understood here to mean the regions in which a mechanical connection takes place between the end layer 103 and the perforated plate carrier 101.
  • the first connection regions 103 are concentric about the passage openings 111 arranged and have a larger diameter than the
  • the first connection regions 108 are annular and include welds. This means the welds are circular and self-contained.
  • the welds divide the top layer 103 provided with piezo elements 104 into areas with defined vibration mechanical edge restraints. These oscillatory regions above the passage openings 111 form the vibration membrane of the individual bending transducer elements.
  • the welds have a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm, preferably 0.25 mm - 0.5 mm, and a lateral distance of 0.1 mm - 1.0 mm to the through holes 111 on.
  • second connection regions 109 are arranged concentrically.
  • the second connection regions 109 have a lateral distance from the first connection regions 108.
  • the second connection portions 109 also include welds.
  • connection regions 109 there may be further concentrically arranged connection regions, which likewise have weld seams. This serves for improved decoupling between two sound transducer elements.
  • Punch plate carrier 101 a third connection portion 110 is provided.
  • the term edge region is understood here to mean an area with a lateral distance to the outer edge of the outer layer of 0.1 mm-1 mm.
  • the piezoelectric elements 104 have a thickness of 100 ⁇ - 750 ⁇ , of 150 ⁇ - 500 ⁇ .
  • the perforated plate carrier 101 has a thickness of 0.5 mm - 15 mm, preferably 1 mm - 10 mm.
  • the final layer 103 has a thickness of 50 ⁇ - 750 ⁇ on.
  • Finishing layer 103 is overpaintable and protects the sound transducer assembly 100 from moisture, liquids and mechanical effects.
  • a plastic film may be arranged on the finishing layer 103.
  • the Plastic film is preferably with an epoxy resin adhesive on the
  • the epoxy adhesive also acts as a tolerance compensation for the realization of particularly flat surfaces.
  • the epoxy adhesive can be scrape.
  • the plastic film comprises, for example, polyimide or a composite material of metal and plastic or carbon fiber fabric and resin.
  • the end layer 103 comprises metal, e.g. As stainless steel, steel or an aluminum alloy. That means that
  • Finishing layer 103 is completely electrically conductive.
  • end layer 103 plastic z. B. PES, PVDF, glass fiber composites or
  • Carbon fiber composites wherein the side of the end layer 103, which is connected to the perforated plate support 101, a metal layer.
  • the damping material is preferably silicone-containing.
  • the basic shape of the piezo elements 104, the bending transducer elements 115 and the passage openings 111 are arbitrary. Preferably, they have regular shapes, z. Square, rectangular, polygonal, circular or elliptical. In a sound transducer assembly 100, the basic shapes of the piezo elements 104, flexural transducer elements 115, and through holes 111 may be the same or different.
  • the acoustic transducer assemblies 100 may have a number of 2 - 250
  • FIG. 1b shows a plan view of the first embodiment of the sound transducer arrangement 100 according to the invention.
  • three bending transducer elements 115 are shown, which are arranged parallel to one another or in a line to one another.
  • the rectangular end layer 103 is shown, which are the three
  • connection region 108 which adjusts the edge stress of the respective bending transducer
  • second connection region 109 which acts as a decoupling between the bending transducers and the third connection area 110, for example
  • FIG. 2 shows a sectional illustration in the xz-plane of the second embodiment of FIG.
  • the end layer 203 has a plurality of subregions, wherein in each case a subregion is arranged on a passage opening and closes or closes it. That is, the end layer comprises a plurality of individual parts, each of which functions as a diaphragm 214, since they are arranged above the piezoelectric elements 204.
  • FIG. 3 shows the method 300 for producing a sound transducer arrangement, which has a perforated plate carrier with a plurality of through openings, a plurality of piezo elements and a terminating layer.
  • the method 300 starts with a step 310, in which second electrodes of the piezo elements are connected to the terminating layer.
  • second electrodes of the piezo elements are connected to the terminating layer.
  • first electrodes of the piezoelectric elements are electrically connected or contacted by wire bonding. In this case, the first electrode of the second electrode is located
  • step 330 the terminating layer and the perforated plate carrier are connected by means of first connecting regions,
  • the passage openings are at least partially filled with a damping material.
  • the transducer assemblies 100 and 200 find in motor vehicles, moving or stationary machines, such as robots, driverless
  • acoustic transducer assemblies 100 and 200 may be used in e-bikes, electric wheelchairs and assistive devices to assist physically disabled persons.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

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

Description

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

Claims

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