EP3600698A1 - Schallwandler, mit in schwingfähige membran integriertem piezokeramischem wandlerelement - Google Patents

Schallwandler, mit in schwingfähige membran integriertem piezokeramischem wandlerelement

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Publication number
EP3600698A1
EP3600698A1 EP18713224.6A EP18713224A EP3600698A1 EP 3600698 A1 EP3600698 A1 EP 3600698A1 EP 18713224 A EP18713224 A EP 18713224A EP 3600698 A1 EP3600698 A1 EP 3600698A1
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EP
European Patent Office
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transducer
transducer element
membrane
sound
sound transducer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18713224.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes HENNEBERG
Andre Gerlach
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3600698A1 publication Critical patent/EP3600698A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/02—Forming enclosures or casings
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer comprising a diaphragm pot, a transducer element and a housing, wherein the diaphragm pot has a membrane and a wall.
  • Ultrasonic sensors are used inter alia in automotive and
  • Objects in the environment can be detected by emitting an ultrasonic signal through the ultrasonic sensor and reflecting it from an object
  • Emission of the ultrasonic signal and receiving the ultrasonic echo and the known speed of sound can then be calculated the distance to the object.
  • the ultrasonic sensors typically include a sound transducer having a diaphragm, a transducer element, and a housing.
  • Transducer element is, for example, a piezoceramic
  • Membrane bottom is usually carried out by an adhesive process. This is prone to failure both in the manufacturing process and in operation.
  • the functional group of the ultrasonic sensor and the housing are manufactured as separate individual parts and then joined.
  • a sound transducer which has a resonator with at least one piezoelectric element.
  • the resonator is integrally formed as a diaphragm pot with a membrane and a circumferential surface of the same material.
  • the diaphragm pot is for example made of a polymer material such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or a
  • piezoceramic material produced.
  • One or more regions of the membrane are polarized, so that piezoelectrically active regions are formed.
  • the invention is based on the object, a
  • a surge transducer in particular for
  • the sound transducer has a functional group, wherein the functional group has a diaphragm pot and at least one electroacoustic
  • Transducer element comprises.
  • the sound transducer has a housing (5).
  • the diaphragm pot comprises a vibratable membrane and a circumferential wall and at least one electroacoustic transducer element, wherein the transducer element is designed to excite the membrane to oscillate and / or to convert vibrations of the membrane into electrical signals.
  • the diaphragm cup is formed of a plastic material, wherein according to the invention the at least one transducer element, in particular without additional adhesive layer, is integrated into the oscillatable diaphragm, wherein the transducer element is designed as a piezoceramic element.
  • the transducer element has on one or more surfaces electrodes for contacting and control. These can be considered electrically conductive
  • a transducer element integrated into the oscillatable membrane should be understood to mean that the transducer element initially exists as a separate component which is connected to the oscillating diaphragm during formation of the oscillatory diaphragm, for example by an injection molding method or a resin transfer molding method in that the plastic material of the membrane at least partially surrounds the transducer element.
  • thermoset a thermoplastic
  • thermoplastic a thermoplastic
  • Particularly suitable as plastic materials are epoxy resins.
  • the thus formed sensor can be both for receiving and for transmitting sound, in particular
  • Ultrasound to be used.
  • the design of a particular desired waveform and frequency can be achieved by geometric design in the membrane.
  • regions of the membrane with different thickness or material thickness can be formed.
  • Usual operating frequencies are in the range between 20 and 250 kHz, frequencies in the range of 30 to 80 kHz are particularly well suited.
  • the oscillatory membrane may have areas of reduced thickness and / or areas of increased thickness.
  • the membrane preferably has a thickness or material thickness in the range from 0.15 mm to 5 mm, particularly preferably from 0.2 to 1 mm.
  • Transducers designed according to the invention can thus be used advantageously in sensors for distance determination, e.g. find by means of air ultrasound. A use for distance determination in liquids is also conceivable. Due to the one-piece design and the resulting robustness against environmental influences inventively designed sound transducer are particularly suitable for use in the automobile.
  • the housing and the functional group of the sound transducer are integrally formed or as a component.
  • An inventively designed transducer can be used for electrical
  • the conductors e.g. be electrically connected by means of a plug connection with a trained for generating and / or evaluation of the signals control unit.
  • Transducer element is disc-shaped and has a first surface and a first surface opposite the second surface.
  • the transducer element is integrated into the membrane in such a way that the second surface is exposed in the direction of the interior of the diaphragm pot.
  • This embodiment has the advantage that, as a result of the second surface of the transducer element exposed to the inside, it can be electrically contacted in a simple manner. At least one electrical conductor in this embodiment can be contacted directly on the exposed second surface.
  • the piezoceramic element in this embodiment is preferably formed such that both electrodes from the same side, i. the same
  • the electrode is carried out over its entire surface on the first surface connected to the membrane and guided over the edge of the piezoceramic element to the second surface, where it forms a contact surface.
  • At least one transducer element is disk-shaped and has a first surface and a second surface opposite the first surface.
  • the transducer element is preferably integrated into the membrane in such a way that the first surface is exposed in the emission direction of the diaphragm pot.
  • Radiating direction is understood to be that direction perpendicular to the extension of the membrane, in which a sound signal is preferably emitted when the membrane is excited to mechanical vibrations.
  • This arrangement of the transducer element has the advantage of a direct coupling of the piezoelectric element to the surrounding fluid. This is an advantage especially for fluids with high density.
  • the contacting can be done in this embodiment by order contact on an opposite second surface.
  • the method comprises, in particular, the following steps: a) at least one element designed as a piezoceramic element
  • Transducer element is introduced into a cavity of a plastic processing tool, b) a plastic material is injected into the cavity, wherein the transducer element is at least partially enclosed by the plastic material, whereby a diaphragm pot is formed with a vibratable membrane and a wall, wherein the at least one traveling element in the oscillatory membrane is integrated.
  • Plastic processing tool is introduced.
  • the piezoceramic element is first introduced into the cavity and then the plastic material is injected.
  • the electrical contacting of the piezoceramic element can in particular prior to introduction into the cavity of the
  • Plastic processing tool done, for example by means of soldering, bonding or thermo-compression welding of pins, wires or other electrical conductors.
  • the electrical contacts are doing by suitable Sealing measures protected from wetting with plastic to allow subsequent electrical connections.
  • the manufacturing method according to the invention enables the simple and economical production of a swirl converter, e.g. for one
  • piezoceramic elements as transducer elements.
  • an error-prone adhesive connection for coupling an electro-acoustic or electro-mechanical transducer element can be dispensed with during manufacture, resulting in a simplified build-up process. Since that
  • Plastic material in the liquid state wets the piezoceramic element and then cured, results in a reliable adhesion between the plastic material and the piezoceramic element that the
  • Transducer element of the transducer thus produced represents. This reliable adhesion leads to a high reproducibility of the
  • vibration mechanical properties of the transducer since no e.g. In their adhesive layer thickness, adhesive properties or the course of the adhesive layer by applying an adhesive partner tolerance-sensitive adhesive layers are necessary, the robustness and reproducibility of the vibration mechanical properties of the transducer is further increased.
  • Plastic processing tool designed such that in step b) the functional group is integrally formed with a housing of the sound transducer. Due to the one-piece, in particular, the advantages that the finished component increased resistance to environmental influences such. B. has the ingress of moisture or dirt, and also reduce the number of components of the transducer and the number of required steps for assembling the transducer.
  • FIG. 1 a shows schematically a sound transducer according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 1 b) shows an enlarged view of the functional group of the sound transducer according to FIG. 1 a).
  • Figure 2 shows schematically a functional group of a sound transducer according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 a shows schematically a sound transducer according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 3 b shows an enlarged view of the functional group of the sound transducer according to FIG. 3 a).
  • Figure 4 shows schematically a sound transducer according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figures 5 a) -c) show enlarged views of a possible embodiment of a transducer element for a sound transducer according to one of the embodiments of the invention shown in Figures 1-4.
  • FIG. 6 shows schematically a flow diagram of a possible embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 1 a schematically shows a section through a surge transducer 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the sound transducer has a housing 5 with a connector housing 11.
  • the surge transducer comprises a functional group 2, which is integral with the housing.
  • the functional group comprises a diaphragm pot 6 with a
  • the Membrane 8 may be formed, for example, circular or elliptical.
  • the membrane has areas 4 with a reduced wall thickness. Due to the geometric design of these areas, the vibration behavior and the resonant frequency of the transducer are determined.
  • the diaphragm pot 6 is made in one piece in this example. Continues the circulating
  • the sound transducer 1 furthermore has a transducer element 3, which according to the invention is designed as a piezoceramic element and is integrated into the oscillatory membrane 8.
  • the functional group 2 of the transducer 1 according to the first embodiment is shown enlarged.
  • the transducer element 3 is formed in this example as a disc having a first surface 15, a first surface opposite the second surface 13 and a circumferential side surface 14.
  • the transducer element 3 is integrated into the membrane such that the second surface 13 in the direction of the interior 16 of the diaphragm pot 6 is exposed.
  • the transducer element is integrated into the membrane 8 such that both the first surface 15 and the side surface 14 of the
  • Transducer element 3 are completely enclosed by the plastic material of the membrane 8, such that the second surface 13 flush with the
  • Transducer element 3 is formed in this embodiment such that both electrodes are from the same side, i. the same surface, can be contacted electrically.
  • FIG. 5 a) shows the transducer element 3 in plan view of the first surface 15.
  • FIG. 5 b) shows a section through the transducer element 3.
  • FIG. 5 c) shows the transducer element 3 formed as a piezoceramic element in plan view onto the second surface 13.
  • the first surface 15 of the transducer element 3 is covered with an electrode layer 25 which extends over the whole area in this example.
  • the transducer element 3 has a UmWallet réelle 25 'on the side surface 14 by means of which the first electrode 25 via the edge of the piezoceramic element on the second surface 13 is guided, where it forms a contact surface 25 ".
  • a second electrode 23 is formed on the second surface 13.
  • electrical conductors 18 for driving the transducer element 3 for example by soldering or bonding.
  • FIG. 2 shows the functional group 2 of a sound transducer 1 according to a second embodiment of the invention is shown enlarged.
  • Transducer element 3 is formed in this example as a disc, with a first surface 15 and one of the first surface opposite, second
  • the transducer element 3 is integrated into the membrane in such a way that the first surface 15 is exposed in the emission direction 17 of the sound transducer 1.
  • the electrodes for contacting the transducer element can in this case be formed in the same or an equivalent manner as illustrated in connection with FIG.
  • the electrical conductors, e.g. Wires or pins may for example be passed through the plastic material of the membrane 8.
  • FIG. 3 a schematically shows a section through a surge transducer 1 according to a third embodiment of the invention.
  • the sound transducer in turn has a housing 5 with a connector housing 11.
  • Schwallwandler comprises a functional group 2, which is integral with the
  • the functional group comprises a diaphragm pot 6 with a vibratable membrane 8 and a circumferential wall 7.
  • the sound transducer 1 further comprises a transducer element 3, the
  • According to the invention is designed as a piezoceramic element and is integrated into the oscillatory membrane 8.
  • the functional group 2 of the transducer 1 according to the third embodiment is shown enlarged.
  • the transducer element 3 is also formed in this example as a disc having a first surface 15, a first surface opposite the second surface 13 and a circumferential side surface 14.
  • the transducer element 3 is integrated into the membrane such that the second surface 13 in the direction of the interior 16 of the
  • piezoceramic element is easier to place in the cavity and fix. Furthermore, this arrangement results in an increased distance of the transducer element to the neutral fiber (zero line)).
  • FIG. 4 schematically shows a section through a surge transducer 1 according to an exemplary fourth embodiment of the invention.
  • the structure of the sound transducer 1 according to the fourth embodiment of the invention substantially corresponds to the structure of that described in connection with Figure 3
  • regions 4 'of the membrane have an increased thickness (material accumulation). Due to the configuration of the regions 4 ', the resonance frequency of the sound transducer and the directional characteristic of the sound transducer can be adjusted.
  • the regions 4 ' can be arranged uniformly (symmetrically) or unevenly (asymmetrically).
  • FIG. 6 illustrates the sequence of a production method according to the invention for a functional group of a sound transducer according to the invention.
  • a plastic processing tool is provided with a cavity whose shape is adapted to the desired shape of the sound transducer.
  • a piezoceramic element which is provided as a transducer element, is introduced into the cavity.
  • electrical conductors can already be provided which contact the electrodes of the piezoceramic element.
  • step 300 a plastic material, for example an epoxy resin, is injected into the cavity, whereby at least the functional group of the
  • Sound transducer is formed and whereby the piezoceramic element is at least partially enclosed by the plastic material. If the cavity is designed accordingly not only the functional group of the Schallwandlers, but also the housing are formed in a component.
  • step 400 if appropriate after a solidification period, the functional group or the component comprising the functional group and the housing of the sound transducer is removed.

Abstract

Gemäß der Erfindung wird ein Schwallwandler, insbesondere für einen Ultraschallsensor vorgeschlagen. Der Schallwandler (1) weist eine funktionale Gruppe (2) auf, wobei die funktionale Gruppe (2) einen Membrantopf (6) und mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement (3) umfasst. Außerdem weist der Schallwandler (1) ein Gehäuse (5) auf. Der Membrantopf (6) umfasst eine schwingungsfähige Membran (3) und eine umlaufende Wandung (7) sowie mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement (3), wobei das Wandlerelement (3) ausgebildet ist, die Membran (8) zu Schwingungen anzuregen und/oder Schwingungen der Membran (8) in elektrische Signale zu wandeln. Der Membrantopf (6) ist aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet, wobei erfindungsgemäß das mindestens eine Wandlerelement (3) in die schwingungsfähige Membran (8), insbesondere ohne zusätzliche Klebstoffschicht integriert ist, wobei das Wandlerelement (3) als piezokeramisches Element ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
SCHALLWANDLER, MIT IN SCHWINGFÄHIGE MEMBRAN INTEGRIERTEM
PIEZOKERAMISCHEM WANDLERELEMENT
Die Erfindung betrifft einen Schallwandler umfassend einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse, wobei der Membrantopf eine Membran und eine Wandung aufweist.
Stand der Technik
Ultraschallsensoren werden unter anderem in Automobil- und
Industrieanwendungen zur Erfassung des Umfelds eingesetzt. Objekte in der Umgebung können erkannt werden, indem durch den Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird und das von einem Objekt reflektierte
Ultraschallecho wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit zwischen dem
Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des Ultraschallechos sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann die Entfernung zu dem Objekt berechnet werden.
Die Ultraschallsensoren umfassen typischerweise einen Schallwandler mit einer Membran, einem Wandlerelement und einem Gehäuse. Bei dem
Wandlerelement handelt es sich beispielsweise um ein piezokeramisches
Element, welches nach Anlegen einer elektrischen Spannung die Membran in eine Schwingung versetzt bzw. zum Empfangen von Ultraschallechos die vom Schalldruck vor der Membran angeregten Schwingungen auf der Membran in ein elektrisches Signal umwandelt. Derartige Schallwandler sind im Stand der Technik bekannt, siehe hierzu beispielsweise DE 10 2012 201 884 AI. Die Verbindung zwischen dem piezokeramischen Element und dem
Membranboden erfolgt üblicherweise durch einen Klebeprozess. Dieser ist sowohl im Herstellungsprozess als auch im Betrieb anfällig gegen Ausfall.
Die funktionale Gruppe des Ultraschallsensors und das Gehäuse werden als getrennte Einzelteile gefertigt und anschließend gefügt.
DE 10 2013 222 076 AI beschreibt einen Schallwandler, der einen Resonator mit mindestens einem piezoelektrischen Element aufweist. Der Resonator ist einteilig als Membrantopf mit einer Membran und einer umlaufenden Mantelfläche aus dem gleichen Material ausgebildet. Der Membrantopf ist beispielsweise aus einem Polymermaterial wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem
piezokeramischen Material hergestellt. Ein oder mehrere Bereiche der Membran werden polarisiert, so dass piezoelektrisch aktive Bereiche ausgebildet werden. Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen
Schallwandler mit vereinfachtem Herstellungsverfahren und einem vereinfachten Aufbau anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Schwallwandler, insbesondere für
Ultraschallsensor vorgeschlagen.
Der Schallwandler weist eine funktionale Gruppe auf, wobei die funktionale Gruppe einen Membrantopf und mindestens ein elektroakustisches
Wandlerelement umfasst. Außerdem weist der Schallwandler ein Gehäuse (5) auf. Der Membrantopf umfasst eine schwingungsfähige Membran und eine umlaufende Wandung sowie mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement, wobei das Wandlerelement ausgebildet ist, die Membran zu Schwingungen anzuregen und/oder Schwingungen der Membran in elektrische Signale zu wandeln. Der Membrantopf ist aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet, wobei erfindungsgemäß das mindestens eine Wandlerelement, insbesondere ohne zusätzliche Klebstoffschicht, in die schwingungsfähige Membran integriert ist, wobei das Wandlerelement als piezokeramisches Element ausgebildet ist. Das Wandlerelement weist an einer oder mehreren Oberflächen Elektroden zur Kontaktierung und Ansteuerung auf. Diese können als elektrisch leitende
Schichten ausgebildet sein.
Unter einem in die schwingungsfähige Membran integrierten Wandlerelement soll dabei verstanden werden, dass das Wandlerelement zunächst als separates Bauteil vorliegt, das beim Ausbilden der schwingungsfähigen Membran, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren oder ein Resin-Transfer-Molding- Verfahren mit der schwingungsfähigen Membran verbunden wird, derart, dass das Kunststoffmaterial der Membran das Wandlerelement zumindest teilweise umschließt.
Als Kunststoffmaterial des Membrantopfs inklusive der schwingfähigen Membran kann beispielsweise ein Duroplast, oder alternativ ein Thermoplast verwendet werden. Insbesondere geeignet als Kunststoffmaterialien sind Epoxidharze.
Durch die Integration des als piezokeramisches Element ausgebildeten
Wandlerelements in die schwingfähige Membran des Schallwandlers wird die elektro-mechanische Wandlung ermöglicht. Der so ausgebildete Sensor kann sowohl zum Empfang als auch zum Senden von Schall, insbesondere
Ultraschall, eingesetzt werden. Die Gestaltung einer bestimmten gewünschten Schwingungsform und -frequenz kann durch geometrische Gestaltung in der Membran erreicht werden. Hierzu können beispielsweise Bereiche der Membran mit unterschiedlicher Dicke bzw. Materialstärke ausgebildet werden. Übliche Arbeitsfrequenzen liegen im Bereich zwischen 20 und 250 kHz, besonders gut geeignet sind Frequenzen im Bereich von 30 bis 80 kHz. Insbesondere kann die schwingungsfähige Membran Bereiche mit reduzierter Dicke und/oder Bereiche mit erhöhter Dicke aufweisen. Bevorzugt weist die Membran hierbei eine Dicke bzw. Materialstärke im Bereich von 0,15 mm bis 5 mm auf, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1 mm.
Durch den Abstand des piezokeramischen Elements zur mechanisch neutralen Faser des Membrantopfs (also zu dem Bereich des Bauteils, in dem keine Zug-, Druck- oder Scherspannungen bei einer Biegebelastung auftreten, auch als „Nulllinie" bezeichnet), tritt eine hohe mechanische Verformung der Piezokeramik auf und es kann somit ein größtmöglicher elektro-mechanische Wandlungseffekt erzielt werden.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Schallwandler weist insbesondere den Vorteil auf, dass durch die Reduktion der Anzahl der Bauteile im Vergleich zum
Stand der Technik die Herstellkosten signifikant verringert sind. Weiterhin kann in der Herstellung auf eine fehleranfällige Klebeverbindung zur Ankopplung eines separaten elektroakustischen bzw. elektromechanischen Wandlerelements an die schwingungsfähige Membran verzichtet werden. Dadurch wird der
Aufbauprozess weiter vereinfacht. Ein nachträgliches Polarisieren nur eines bestimmten Bereichs der schwingungsfähigen Membran zur Ausbildung eines Wandlerelements wie aus dem Stand der Technik bekannt wird ebenfalls vermieden. Erfindungsgemäß ausgebildete Schallwandler können so vorteilhaft Anwendung in Sensoren zur Abstandsbestimmung z.B. mittels Luftultraschall finden. Ein Einsatz zur Abstandsbestimmung in Flüssigkeiten ist ebenfalls denkbar. Durch die einteilige Ausbildung und die sich daraus ergebenden Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen sind erfindungsgemäß ausgebildete Schallwandler besonders für den Einsatz im Automobil geeignet.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Gehäuse und die funktionale Gruppe des Schallwandlers einteilig bzw. als ein Bauteil ausgebildet.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Schallwandler kann zur elektrischen
Kontaktierung insbesondere einen oder mehrere elektrische Leiter aufweisen, wobei das Wandlerelement oder die mehreren Wandlerelemente durch den oder die elektrischen Leiter kontaktiert wird bzw. werden. Durch Anlegen von elektrischen Signalen an diese Leiter können in bekannter Weise Schwingungen des Wandlerelements angeregt werden, die auf die Membran übertragen werden und zur Abstrahlung von akustischen Signalen, insbesondere Ultraschallsignalen durch den Schallwandler führen (Sendebetrieb des Schallwandlers). Weiterhin können einfallende Schallwellen die Membran zu Schwingungen anregen, wodurch in dem Wandlerelement ein elektrisches Spannungssignal erzeugt wird, welches durch die Leiter abgegriffen wird (Empfangsbetrieb des Schallwandlers). Zur Erzeugung der elektrischen Signale zur Anregung der Membran im
Sendebetrieb und/oder zur Auswertung der durch einfallende Schwallwellen in dem Wandlerelement erzeugten Spannungssignale im Empfangsbetrieb können die Leiter, z.B. mittels einer Steckverbindung mit einem zur Erzeugung und/oder zur Auswertung der Signale ausgebildeten Steuergerät elektrisch verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens ein
Wandlerelement scheibenförmig ausgebildet und weist eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche auf. Das Wandlerelement ist derart in die Membran integriert, dass die zweite Oberfläche in Richtung des Inneren des Membrantopfs freiliegt.
Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass durch die nach Innen freiliegende zweite Oberfläche des Wandlerelements, dieses auf einfache Weise elektrisch kontaktiert werden kann. Zumindest ein elektrischer Leiter kann in dieser Ausführung direkt auf der freiliegenden zweiten Oberfläche kontaktiert werden.
Das piezokeramische Element ist in dieser Ausführung bevorzugt derart ausgebildet, dass beide Elektroden von derselben Seite, d.h. derselben
Oberfläche, elektrisch kontaktiert werden können. Dazu weist das
piezokeramische Element insbesondere eine Umkontaktierung auf. Dabei wird die Elektrode auf der mit der Membran verbundenen ersten Oberfläche vollflächig ausgeführt und über den Rand des piezokeramischen Elements auf die zweite Oberfläche geführt, wo sie eine Kontaktfläche ausbildet.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens ein Wandlerelement scheibenförmig ausgebildet und weist eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche auf. Das Wandlerelement ist dabei bevorzugt derart in die Membran integriert ist, dass die erste Oberfläche in die Abstrahlrichtung des Membrantopfs freiliegt. Als
Abstrahlrichtung wird dabei diejenige Richtung senkrecht zur Erstreckung der Membran verstanden, in die bei Anregung der Membran zu mechanischen Schwingungen ein Schallsignal bevorzugt abgestrahlt wird. Diese Anordnung des Wandlerelements hat den Vorteil einer direkten Ankopplung des piezoelektrischen Elements an das Umgebungsfluid. Dies stellt einen Vorteil besonders bei Fluiden mit hoher Dichte dar. Die Kontaktierung kann in dieser Ausführung durch Um kontaktierung auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche erfolgen.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein mögliches
Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Schallwandler mittels Spritzguss oder Resin-Transfer-Molding angegeben.
Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte: a) mindestens ein als piezokeramisches Element ausgebildetes
Wandlerelement wird in eine Kavität eines Kunststoffverarbeitungswerkzeugs eingebracht, b) ein Kunststoffmaterial wird in die Kavität eingespritzt wird, wobei das Wandlerelement zumindest teilweise von dem Kunststoffmaterial umschlossen wird, wodurch ein Membrantopf mit einer schwingungsfähigen Membran und einer Wandung ausgebildet wird, wobei das mindestens eine Wanderelement in die schwingungsfähigen Membran integriert ist.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte a) und b) müssen dabei nicht zwingend in dieser Reihenfolge ausgeführt werden. So ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass zunächst Kunststoffmaterial in die Kavität eingespritzt wird und zeitlich folgend mindestens ein als piezokeramisches Element ausgebildetes Wandlerelement in eine Kavität eines
Kunststoffverarbeitungswerkzeugs eingebracht wird. Bevorzugt wird jedoch zunächst das piezokeramische Element in die Kavität eingebracht und anschließend wird das Kunststoffmaterial eingespritzt. Die elektrische Kontaktierung des piezokeramischen Elements kann insbesondere vor dem Einbringen in die Kavität des
Kunststoffverarbeitungswerkzeugs erfolgen, z.B. mittels Löten, Bonden oder Thermokompressionsschweißen von Pins, Drähten oder anderen elektrischen Leitern. Die elektrischen Kontakte werden dabei durch geeignete Dichtungsmaßnahmen vor der Benetzung mit Kunststoff geschützt, um nachfolgende elektrische Anschlüsse zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht die einfache und wirtschaftliche Herstellung eines Schwallwandlers, z.B. für einen
Ultraschallsensor, auf Grundlage von in die Membran integrierten,
piezokeramischen Elementen als Wandlerelemente. Dadurch kann in der Herstellung auf eine fehleranfällige Klebeverbindung zur Ankopplung eines elektroakustischen bzw. elektro-mechanischen Wandlerelements verzichtet werden, wodurch sich ein vereinfachter Aufbauprozess ergibt. Da das
Kunststoffmaterial im flüssigen Zustand das piezokeramische Element benetzt und anschließend aushärtet, ergibt sich eine zuverlässige Haftung zwischen dem Kunststoffmaterial und dem piezokeramischen Element, dass das
Wandlerelement des so hergestellten Schallwandlers darstellt. Diese zuverlässige Haftung führt zu einer hohen Reproduzierbarkeit der
schwingungsmechanischen Eigenschaften des Schallwandlers. Da außerdem keine z.B. in ihrer Klebeschichtdicke, Hafteigenschaften oder dem Verlauf der Klebeschicht durch das Applizieren eines Klebepartners toleranzbehafteten Klebeschichten nötig sind, wird die Robustheit und Reproduzierbarkeit der schwingungsmechanischen Eigenschaften des Schallwandlers weiter erhöht.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Kavität des
Kunststoffverarbeitungswerkzeugs derart ausgebildet, dass in Schritt b) die funktionale Gruppe einteilig mit einem Gehäuse des Schallwandlers ausgebildet wird. Durch die Einteiligkeit ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass das fertige Bauteil eine erhöhte Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, wie z. B. dem Eindringen von Feuchte oder Verschmutzungen aufweist, und dass außerdem Anzahl der Bauteile des Schallwandlers und Anzahl der benötigten Arbeitsschritte zum Zusammenbauen des Schallwandlers verringern.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 a) zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer ersten Ausführung der Erfindung. Figur 1 b) zeigt vergrößert die funktionale Gruppe des Schallwandlers gemäß Figur 1 a).
Figur 2 zeigt schematisch eine funktionale Gruppe eines Schallwandlers nach einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Figur 3 a) zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer dritten Ausführung der Erfindung.
Figur 3 b) zeigt vergrößert die funktionale Gruppe des Schallwandlers gemäß Figur 3 a).
Figur 4 zeigt schematisch einen Schallwandler nach einer vierten Ausführung der Erfindung.
Die Figuren 5 a)-c) zeigen vergrößert verschiedene Ansichten einer möglichen Ausführung eines Wandlerelements für einen Schallwandler nach einem der in den Figuren 1-4 gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 6 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente gegebenenfalls verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In der Figur 1 a) ist schematisch ein Schnitt durch einen Schwallwandler 1 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung abgebildet. Der Schallwandler weist ein Gehäuse 5 mit einem Steckergehäuse 11 auf. Der Schwallwandler umfasst eine funktionale Gruppe 2, die einteilig mit dem Gehäuse ausgeführt ist. Die Funktionale Gruppe umfasst einen Membrantopf 6 mit einer
schwingungsfähigen Membran 8 und einer umlaufenden Wandung 7. Die Membran 8 kann beispielsweise kreisförmig oder elliptisch geformt sein. Die Membran weist Bereiche 4 mit einer verringerten Wandstärke auf. Durch die geometrische Gestaltung dieser Bereiche werden das Schwingungsverhalten sowie die Resonanzfrequenz des Schallwandlers bestimmt. Der Membrantopf 6 ist in diesem Beispiel einteilig ausgeführt. Weiterhin geht die umlaufende
Wandung 7 direkt in das Gehäuse 5 über, wobei auch das Steckergehäuse 11 einteilig mit dem Gehäuse 5 ausgeführt ist. Der Schallwandler 1 weist weiterhin ein Wandlerelement 3 auf, das erfindungsgemäß als piezokeramisches Element ausgebildet ist und in die schwingungsfähige Membran 8 integriert ist.
In Figur 1 b) ist die funktionale Gruppe 2 des Schallwandlers 1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels vergrößert dargestellt. Das Wandlerelement 3 ist in diesem Beispiel als Scheibe ausgebildet mit einer ersten Oberfläche 15, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 13 und einer umlaufenden Seitenfläche 14. Das Wandlerelement 3 ist derart in die Membran integriert, dass die zweite Oberfläche 13 in Richtung des Inneren 16 des Membrantopfs 6 freiliegt. Dabei ist das Wandlerelement derart in die Membran 8 integriert, dass sowohl die erste Oberfläche 15 als auch die Seitenfläche 14 des
Wandlerelements 3 vollständig vom Kunststoffmaterial der Membran 8 umschlossen sind, derart, dass die zweite Oberfläche 13 bündig mit der
Membran abschließt. Das als piezokeramisches Element ausgebildete
Wandlerelement 3 ist in dieser Ausführung derart ausgebildet, dass beide Elektroden von derselben Seite, d.h. derselben Oberfläche, elektrisch kontaktiert werden können.
Dies ist in Figur 5 nochmals vergrößert und schematisch dargestellt. Figur 5 a) zeigt das Wandlerelement 3 in Draufsicht auf die erste Oberfläche 15. Figur 5 b) zeigt einen Schnitt durch das Wandlerelement 3. Figur 5 c) zeigt das als piezokeramische Element ausgebildete Wandlerelement 3 in Draufsicht auf die zweite Oberfläche 13.
Die erste Oberfläche 15 des Wandlerelements 3 ist mit einer in diesem Beispiel vollflächig ausgeführten Elektrodenschicht 25 bedeckt. Das Wandlerelement 3 weist eine Umkontaktierung 25' über die Seitenfläche 14 auf mittels derer die erste Elektrode 25 über den Rand des piezokeramischen Elements auf die zweite Oberfläche 13 geführt ist, wo sie eine Kontaktfläche 25" ausbildet.
Elektrisch getrennt von der Kontaktfläche 25" ist auf der zweiten Oberfläche 13 eine zweite Elektrode 23 ausgebildet. Auf der Kontaktfläche 25" und der zweiten Elektrode 23 sind elektrische Leiter 18 zur Ansteuerung des Wandlerelements 3 kontaktiert, beispielsweise durch Löten oder Bonden.
In Figur 2 ist die funktionale Gruppe 2 eines Schallwandlers 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung vergrößert dargestellt. Das
Wandlerelement 3 ist in diesem Beispiel als Scheibe ausgebildet, mit einer ersten Oberfläche 15 und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden, zweiten
Oberfläche 13. Das Wandlerelement 3 ist derart in die Membran integriert, dass die erste Oberfläche 15 in Abstrahlrichtung 17 des Schallwandlers 1 freiliegt. Die Elektroden zur Kontaktierung des Wandlerelements können hierbei in derselben oder einer äquivalenten Weise, wie im Zusammenhang mit Figur 5 dargestellt ist, ausgebildet sein. Die elektrischen Leiter, z.B. Drähte oder Pins (nicht dargestellt) können dazu beispielsweise durch das Kunststoffmaterial der Membran 8 hindurchgeführt sein.
In der Figur 3 a) ist schematisch ein Schnitt durch einen Schwallwandler 1 gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung abgebildet. Der Schallwandler weist wiederum ein Gehäuse 5 mit einem Steckergehäuse 11 auf. Der
Schwallwandler umfasst eine funktionale Gruppe 2, die einteilig mit dem
Gehäuse ausgeführt ist. Die Funktionale Gruppe umfasst einen Membrantopf 6 mit einer schwingungsfähigen Membran 8 und einer umlaufenden Wandung 7. Der Schallwandler 1 weist weiterhin ein Wandlerelement 3 auf, das
erfindungsgemäß als piezokeramisches Element ausgebildet ist und in die schwingungsfähige Membran 8 integriert ist.
In Figur 3 b) ist die funktionale Gruppe 2 des Schallwandlers 1 gemäß des dritten Ausführungsbeispiels vergrößert dargestellt. Das Wandlerelement 3 ist auch in diesem Beispiel als Scheibe ausgebildet mit einer ersten Oberfläche 15, einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 13 und einer umlaufenden Seitenfläche 14. Das Wandlerelement 3 ist derart in die Membran integriert, dass die zweite Oberfläche 13 in Richtung des Inneren 16 des
Membrantopfs 6 freiliegt. Dabei ist die Seitenfläche 14 nur teilweise oder gar nicht vom Kunststoff material der Membran 8 umschlossen. Daraus ergeben sich mögliche Vorteile für den Herstellungsprozess. Das zu integrierte
piezokeramische Element ist einfacher in der Kavität zu platzieren und zu fixieren. Des Weiteren ergibt sich durch diese Anordnung ein vergrößerter Abstand des Wandlerelements zur neutralen Faser (Nulllinie)).
In der Figur 4 ist schematisch ein Schnitt durch einen Schwallwandler 1 gemäß einer beispielhaften vierten Ausführung der Erfindung abgebildet. Der Aufbau des Schallwandlers 1 gemäß der vierten Ausführung der Erfindung entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des im Zusammenhang mit Figur 3 beschriebenen
Schallwandlers gemäß der dritten Ausführung der Erfindung. Der einzige Unterschied besteht darin, dass gemäß der vierten Ausführung der Erfindung Bereiche 4' der Membran eine erhöhte Dicke (Materialanhäufung) aufweisen. Durch die Ausgestaltung der Bereiche 4' kann die Resonanzfrequenz des Schallwandlers sowie die Richtcharakteristik des Schallwandlers angepasst werden. Die Bereiche 4' können dabei gleichmäßig (symmetrisch) oder ungleichmäßig (asymmetrisch) angeordnet sein.
Figur 6 stellt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine funktionale Gruppe eines erfindungsgemäßen Schallwandlers dar.
In Schritt 100 wird ein Kunststoffverarbeitungswerkzeug mit einer Kavität bereitgestellt, deren Form der gewünschten Form des Schallwandlers angepasst ist.
In Schritt 200 wird ein piezokeramisches Element, das als Wandlerelement vorgesehen ist, in die Kavität eingebracht. Optional können bereits elektrische Leiter vorgesehen werden, die die Elektroden des piezokeramischen Elements kontaktieren.
In Schritt 300 wird ein Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Epoxidharz in die Kavität eingespritzt, wodurch zumindest die funktionale Gruppe des
Schallwandlers ausgebildet wird und wodurch das piezokeramische Element zumindest teilweise von dem Kunststoffmaterial umschlossen wird. Ist die Kavität entsprechend ausgestaltet kann nicht nur die funktionale Gruppe des Schallwandlers, sondern auch das Gehäuse in einem Bauteil ausgebildet werden.
In Schritt 400 wird, gegebenenfalls nach einer Erstarrungsdauer, die funktionale Gruppe bzw. das Bauteil umfassend die funktionale Gruppe und das Gehäuse des Schallwandlers entnommen.

Claims

Ansprüche
1. Schallwandler (1), aufweisend eine funktionale Gruppe (2), wobei die funktionale Gruppe (2) einen Membrantopf (6) und mindestens ein elektroakustisches Wandlerelement (3) umfasst, und ein Gehäuse (5), wobei der Membrantopf (6) eine schwingungsfähige Membran (8) und eine Wandung (7) aufweist, wobei das Wandlerelement (3) ausgebildet ist, die Membran (8) zu Schwingungen anzuregen und/oder
Schwingungen der Membran (8) in elektrische Signale zu wandeln und wobei zumindest der Membrantopf (6) aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wandlerelement (3) in die schwingungsfähige Membran (8) integriert ist, wobei das
Wandlerelement (3) als ein piezokeramisches Element ausgebildet ist.
2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
mindestens eine Wandlerelement (3) ohne zusätzliche Klebstoffschicht in die schwingungsfähige Membran (8) integriert ist.
3. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein Wandlerelement (3)
scheibenförmig ausgebildet ist und eine erste Oberfläche (15) und eine der ersten Oberfläche (15) gegenüberliegende zweite Oberfläche (13) aufweist, wobei das Wandlerelement (3) derart in die Membran (8) integriert ist, dass die zweite Oberfläche (13) in Richtung des Inneren (16) des Membrantopfs (6) freiliegt.
4. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein Wandlerelement (3) im
Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und eine erste Oberfläche (15) und eine der ersten Oberfläche (15) gegenüberliegende zweite Oberfläche (13) aufweist, wobei das Wandlerelement (3) derart in die Membran (8) integriert ist, dass die erste Oberfläche (15) in die
Abstrahlrichtung (17) des Membrantopfs (6) freiliegt.
5. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schallwandler (1) elektrische Leiter (18) aufweist, wobei das Wandlerelement (3) ") Elektroden (23, 25) aufweist, die durch die elektrischen Leiter (18) kontaktiert werden.
6. Schallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Elektrode (25) auf einer ersten Oberfläche (15) des
Wandlerelements (3) ausgebildet ist und eine zweite Elektrode (23) auf einer zweiten, der ersten Oberfläche (15) gegenüberliegenden Oberfläche (13) des Wandlerelements (3) ausgebildet ist.
7. Schallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Wandlerelement eine Umkontaktierung (25') aufweist, wobei durch die Umkontaktierung (25') die erste Elektrode (25) über einen Rand (14) des Wandlerelements (3) auf die zweite Oberfläche (13) geführt ist, wo sie eine Kontaktfläche (25") ausbildet.
8. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) und die funktionale Gruppe (2) einteilig ausgebildet sind.
9. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die schwingungsfähige Membran (8) Bereiche (4) mit reduzierter Dicke und/oder Bereiche (4') mit erhöhter Dicke aufweist.
10. Ultraschallsensor mit einem Schallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verfahren zum Herstellen einer funktionalen Gruppe (2) eines
Schallwandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei a) mindestens ein als piezokeramisches Element ausgebildetes Wandlerelement (3) in eine Kavität eines
Kunststoffverarbeitungswerkzeugs eingebracht wird, b) ein Kunststoffmaterial in die Kavität eingespritzt wird, wobei das Wandlerelement (3) zumindest teilweise von dem
Kunststoffmaterial umschlossen wird, wodurch ein Membrantopf (6) mit einer schwingungsfähigen Membran (8) und einer Wandung (7) ausgebildet wird, wobei das mindestens eine Wanderelement (3) in die schwingungsfähige Membran (8) integriert ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität des Kunststoffverarbeitungswerkzeugs derart ausgebildet ist, dass in Schritt b) die funktionale (2) Gruppe einteilig mit einem Gehäuse (5) des Schallwandlers (1) ausgebildet wird.
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