WO2013117437A1 - Schallwandler - Google Patents

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WO2013117437A1
WO2013117437A1 PCT/EP2013/051398 EP2013051398W WO2013117437A1 WO 2013117437 A1 WO2013117437 A1 WO 2013117437A1 EP 2013051398 W EP2013051398 W EP 2013051398W WO 2013117437 A1 WO2013117437 A1 WO 2013117437A1
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WO
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membrane
piezoelectric element
film
sound transducer
transducer
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/051398
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English (en)
French (fr)
Inventor
David Bartylla
Matthias Karl
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 WO2013117437A1 publication Critical patent/WO2013117437A1/de

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    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer comprising a membrane and at least one piezoelectric element, wherein the vibration plane of the piezoelectric element is arranged parallel to the membrane, the membrane oscillates perpendicular to the vibration plane of the piezoelectric element and the oscillating surface of the membrane is larger than the surface of the piezoelectric element.
  • Sound transducers are used, for example, in ultrasonic sensors with which the distance between the ultrasonic sensor and a reflecting object can be measured.
  • the sound transducer serves as a transmitter and / or receiver, wherein in a first step, an ultrasonic pulse is emitted. If the ultrasonic pulse hits a reflective object, an ultrasonic echo is generated, which can be detected again via the sound transducer. From the time that elapsed between the emission of the ultrasonic pulse and the detection of the ultrasonic echo and the known speed of sound, the distance to the reflecting object can be calculated.
  • the ultrasonic sensors are used, for example, in driver assistance systems to assist a driver of a vehicle in driving maneuvers. In this case, for example, during a parking operation with the aid of one or more ultrasonic sensors, the close range of the vehicle is scanned. For the use of ultrasonic sensors in other
  • the transducers for distance measurements of distant objects must generate the largest possible sound pressure.
  • the sound transducers should be broadband, that is, the sound transducer should be able to generate sound over a large frequency range and to be able to detect again.
  • the broadband is necessary in order to move even in the case of moving objects and / or one together with the
  • Vehicle moving ultrasonic sensor to be able to reliably measure, since by the Movement shifts the frequency of the received ultrasonic echo due to the Doppler effect.
  • the sound transducers used in ultrasonic sensors for vehicles must meet high mechanical stability requirements.
  • the sound transducer can be heavily used by flying stones or other particles.
  • the piezo elements contained therein which consist essentially of a ceramic, must not be damaged. A breakage of the piezoelectric element would for
  • a sound transducer which comprises a membrane made of an epoxy hollow glass sphere mixture and a piezoceramic disk.
  • a piezoelectric ultrasonic transducer is known.
  • the piezoelectric transducer element is housed in a pot-shaped housing.
  • the bottom of the housing acts as a sound-emitting membrane.
  • the piezoelectric transducer element does not touch the bottom or the membrane, but is connected to the walls of the cup-shaped housing. The connection between the
  • piezoelectric transducer element and the inner wall of the pot is over a
  • DE 196 20 133 A1 discloses an ultrasonic sensor with piezoelectric transducer element.
  • the sensor has a cover plate which is excited by the transducer element to vibrate.
  • the cover plate comprises concentric webs with which a disk acting as a membrane is mounted on the piezoelectric transducer element.
  • the cavities between the transducer element and the membrane may be connected to a non-conductive
  • a sound transducer comprising a membrane and at least one piezoelectric element is proposed, wherein the vibration plane of the piezoelectric element in the
  • the membrane oscillates substantially perpendicular to the vibration plane of the piezoelectric element and the oscillating surface of the membrane is larger than the surface of the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element at its edge regions on the surface of the oscillating surface of the membrane at least partially with the oscillating surface of the membrane is connected, so that forces are transmitted from the piezoelectric element to the membrane, and wherein adjacent to the membrane facing surface of the piezoelectric element at least one space, by the piezoelectric element, the vibrating surface of the membrane and the connections between the piezoelectric element and the membrane is limited, or between the piezoelectric element and the vibrating surface of the membrane, a film is arranged and wherein the remaining surfaces of the piezoelectric element do not touch the membrane.
  • Such deviations may unintentionally, for example due to production-related inaccuracies, arise or intended, for example, to optimize the radiation characteristic, be provided or be caused by a combination thereof.
  • the diaphragm For the emission of sound, the diaphragm must be vibrated by the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element executes vibrations along a plane that is substantially parallel to the membrane.
  • Thick vibration that is, a vibration substantially along the surface normal of the membrane, the diaphragm must buckle.
  • connection between the piezoelectric element and the oscillating surface of the membrane may be at least partially executed along the edge regions of the piezoelectric element, for example sequentially. Preferably, the connection is carried out substantially along the entire edge regions of the piezoelectric element. If the piezoelectric element were connected to the membrane over the entire surface, the overall composite of membrane and piezoelectric element would have a higher rigidity than the membrane alone. The oscillation amplitude of the membrane would be lower and thus also the generated sound pressure. Furthermore, a composite membrane and piezoelectric element would have a greater mass than the membrane alone. With the same oscillation amplitude, more energy must be expended for the composite of membrane and piezoelectric element than for the membrane alone.
  • the piezoelectric element By providing the connection between the piezoelectric element and the oscillating surface of the membrane at the edge regions of the piezoelectric element, a transmission of the shear stresses resulting from the oscillation of the piezoelectric element to the vibrating surface of the diaphragm is ensured, on the other hand, the piezoelectric element does not have to deform the diaphragm participate.
  • the enclosed between the membrane facing surface of the piezoelectric element and the membrane space or the film between the membrane and the piezoelectric element contribute to the fact that the membrane can deform largely unhindered.
  • Piezoelement also has an advantageous effect on the stone chip resistance of the transducer. Although a punctiform load, such as by a flying stone, still leads to a strong deformation and possibly a local damage to the membrane, but the piezoelectric element is not firmly bonded to the membrane over the entire surface. The space or the film between the membrane and the piezoelectric element can thus absorb the deformation without forces acting on the piezoelectric element and can damage this.
  • the membrane of the transducer used may be flat or curved depending on the embodiment.
  • a bending of the membrane can, for example, as a curvature in the
  • the membrane may be cup-shaped. It is also conceivable to combine several forms, so that one cup-shaped membrane with a flat area or with a curved area is conceivable.
  • the shape of the membrane influences the sound radiation and directivity of the transducer and can be adjusted according to the application. For example, a rotationally symmetric shape results in a more homogeneous directional characteristic than
  • the piezoelectric element has a smaller area than the membrane, wherein the shape of the piezoelectric element is preferably oriented on the shape of the oscillating surface of the membrane.
  • further designs such as rectangular, square, elliptical or polygonal shapes, are possible.
  • a rectangular piezoelectric element can also be used.
  • the adhesive is preferably such that an elongation of the piezoelectric element does not result in a deformation of the
  • Adhesive passes, but over the connection in the edge areas of the
  • Piezoiatas causes a deformation of the membrane. Besides gluing are also
  • connection between the membrane and the piezoelectric element by gluing the edge of the
  • Piezo element manufactured with arranged on the membrane webs It can be determined by the length of the webs on which the piezoelectric element is glued, the ratio of force and deflection. The shorter the webs are executed, the greater the gear ratio of the deflection of the diaphragm to the deflection of the
  • this cavity filled with an elastic material for damping the membrane.
  • a film is arranged between the membrane and the piezoelectric element. The power transmission from
  • Piezo element on the vibrating surface of the membrane is formed by bonds between the piezo element and the film as well as between the film and the membrane in the
  • the film used preferably has a high shear stiffness, so that a force transmission from the piezoelectric element to the membrane can take place via the film.
  • the sound transducer according to the invention is between the
  • Membrane and the piezoelectric element disposed a film, wherein the dimensions of the film are smaller than that of the piezoelectric element and the not covered by the film portions of the piezoelectric element are bonded to the membrane.
  • the film acts as a spacer in this embodiment and prevents excess adhesive outside the edge region of the piezoelectric element to an unwanted connection between the membrane and the
  • Piezo element leads.
  • an adhesive is used which has a large shear modulus after curing, so that a force transmission can take place from the piezoelectric element to the oscillating surface of the membrane.
  • Piezoceramic must be ensured on the membrane, a film arranged between the membrane and piezoelectric element can be glued in the middle, each with a glue point with the membrane and the piezoelectric element.
  • a film with smaller dimensions than the piezoelectric element is used to perform this push-soft.
  • a slide-soft film deforms when thrust forces occur, so that no or no appreciable force transmission from the piezoelectric element to the membrane takes place via the non-slip film.
  • the connection between the vibrating surface of the membrane and the piezoelectric element may be arranged in the vicinity of the edge of the vibrating surface of the membrane. Since the enclosure of the membrane usually has a high rigidity and contributes little to the generation of the sound pressure, it is preferable to arrange a bead between the edge of the oscillating surface of the membrane and the point of the membrane, where it is connected to the piezoelectric element. This avoids that the vibration excitation of the membrane is worked against its enclosure and energy is lost unused.
  • the edge of the vibrating surface of the membrane without beading or thickening.
  • the beading is by reduction the material thickness is formed on the vibrating surface of the membrane.
  • Design options of the bead are, for example, bulges or depressions on the vibrating surface of the membrane.
  • the at least one thickening can be formed by increasing the material thickness of the membrane.
  • the membrane of the sound transducer according to the invention may be made of a metal, a ceramic or a composite material, such as a fiber-plastic composite material.
  • the membrane is made of a metal, in particular of aluminum.
  • the piezoelectric element preferably comprises a piezoelectric ceramic, it being possible for a plurality of layers to be arranged to form a piezoelectric stack.
  • the sound transducer can in the area below the piezoelectric element and in the area between the piezoelectric element and the edge of the housing a
  • Damping material can be arranged.
  • a non-conductive elastomer is preferably used. Due to the additional damping is a
  • Receiving element is used, a short time after the transmission of a sound pulse is ready to receive echoes.
  • the resonant frequency of the transducer can be adjusted by arranging beads or thickenings, the choice of shape, material and thickness of the membrane, and optionally by the shape and length of the webs.
  • the Sound transducer according to the invention broadband by reducing the oscillating mass.
  • FIGS. 1 a
  • 1 b show an embodiment of the sound transducer according to the invention, in which the piezoelement is connected via webs to the oscillating surface of the membrane,
  • FIG. 2 a shows a bead arranged on the oscillating surface of the membrane
  • FIG. 2b shows a thickening arranged on the oscillating surface of the diaphragm.
  • An embodiment of the sound transducer in which a foil is arranged between the piezoelement and the diaphragm shows a further embodiment of the sound transducer with a foil between the piezoelement and the diaphragm
  • Figure 5 shows an embodiment of the transducer with film, wherein the film is glued with a glue dot in the middle with the membrane and the piezoelectric element, shows a sound transducer with a arranged between the membrane and piezoelectric element film, the film soft is and is glued surface to the piezo element and the membrane,
  • FIGS. 7a are identical to FIGS. 7a.
  • FIG. 7b and FIG. 7b show various embodiments of the sound transducer in which damping material has been arranged below the piezoelectric element.
  • Figure 7c shows a sound transducer, in which in between the webs, the
  • Piezoelement and the membrane formed space filling material is added for damping.
  • Figures 1 a and b show a transducer in which the piezoelectric element is connected via webs with the membrane.
  • the sound transducer 10 comprises a membrane 12 which is shown in FIG.
  • Embodiment is configured tpfformig.
  • the oscillating surface 13 of the membrane 12 is here in the resting state, that is flat without stimulation to swing. In other embodiments of the invention, a curved configuration of the oscillating surface 13 is conceivable.
  • webs 24 are arranged, at the ends of a piezoelectric element 14 is received by bonds 18. The position of the webs 24 is chosen so that they do not touch the edge 15 of the membrane, but allow bonding to the edge region 17 of the piezoelectric element 14.
  • both the piezoelectric element 14 and the vibrating surface 13 of the membrane 12 are shown in their respective states of rest.
  • the piezoelectric element 14 is electrically excited and then, depending on the frequency and strength of the exciting alternating electrical field, oscillates along the direction indicated by the reference numeral 28.
  • the reference numeral 28 is about the connections of the piezoelectric element 14 with the vibrating surface 13 of the diaphragm 12 while thrust forces on the
  • the piezoelectric element 14 is shown in a contracted state. Excited by an alternating electrical field, the piezoelectric element 14 contracts in the direction indicated by reference numeral 28. The shear forces occurring are transmitted via the connection of the piezoelectric element 14 to the vibrating surface 13 of the membrane 12 to the membrane 12. In the illustrated embodiment, the connection via the webs 24 and the bonds 18 is ensured. Due to the contraction of the Piezoelectric element 14, the oscillating surface 13 of the membrane 12 bulges. The frequency of this oscillation corresponds to the frequency of the electric field with which the
  • Piezo element 14 is excited.
  • the vibration of the diaphragm 12 causes
  • the vibrating surface 13 of the membrane 12 can be excited by the sound waves from the air to vibrate and transmitted to the piezoelectric element 14 via the webs 24 and bonding 18.
  • the piezoelectric element 14 is in this case the
  • FIG. 2a shows a membrane 12 of a sound transducer, on which a bead is arranged.
  • the membrane 12 of a sound transducer 10 has an edge 15 and a vibrating surface 13.
  • webs 24 are provided in the vicinity of the edge 15 via which the edge region 17 of a piezoelectric element 14 is connected to the membrane 12 via an adhesive bond 18.
  • vibrations are generated which are transmitted via the bond 18 and the web 24 to the oscillating surface 13 of the membrane.
  • the stiffness of the membrane 12 is increased in the region of its edge 15.
  • the bead 30 is designed in the embodiment shown as a reduction of the material thickness. As can be seen from FIG. 2 a, the membrane 12 is made thinner at the point 32 than at the point 34 which is located on the oscillating surface 13 of the membrane 12.
  • FIG. 2b shows a membrane 12 of a sound transducer, on which a thickening is arranged.
  • FIG. 2b An alternative to the embodiment shown in Figure 2a is shown in Figure 2b.
  • a thickening 31 is arranged between the edge 15 and the region of the diaphragm 12 connected to the piezoelement 14 via the web 24.
  • Thickening 31 is in the embodiment shown as an increase in material thickness executed.
  • the membrane 12 is made thicker, for example at the point 33, than at the point 34 which is located on the oscillating surface 13 of the membrane 12.
  • the embodiment shown in FIG. 2b is particularly advantageous at high resonance frequencies, since the thickening 31 in the region between the edge 15 and the region of the diaphragm 12 connected to the piezoelectric element 14 via the web 24 provides greater stability and thus greater rigidity.
  • FIG. 3 shows a sound transducer in which a film is arranged between the piezoelement and the membrane.
  • the transducer 10 has a membrane 12, which in the illustrated
  • Embodiment is designed pot-shaped, wherein the vibrating surface 13 of the membrane 12 is configured flat in the idle state.
  • a film 16 is arranged, which is a piezoelectric element 14 of the
  • the film 16 and the piezoelectric element 14 are made smaller than the vibrating surface 13, so that both do not touch the edge 15 of the membrane 12.
  • adhesive bonds 18 are provided for the connection between the vibrating surface 13, the film 16 and the piezoelectric element 14 adhesive bonds 18 are provided.
  • Adhesive bonds 18 are present exclusively in the edge regions 17 of the piezoelectric element 14. The largest part of the membrane facing surface of the piezoelectric element 14 is not glued.
  • the material of the film 16 and the adhesive used are chosen so that they are suitable for transferring shear forces, which are generated during the excitation of the piezoelectric element 14 via an electric field, to the vibrating surface 13 of the membrane 12.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the sound transducer in which a film is arranged between the piezo element and the oscillating surface of the membrane, wherein the surface of the film is smaller than that of the piezo element.
  • a film 16 is again recorded.
  • the surface of the film 16 is chosen so that it does not completely cover the surface of the piezoelectric element 14.
  • the film 16 acts as a spacer to regulate the distance of the piezoelectric element 14 to the vibrating surface 13 of the membrane 12. Furthermore, the film 16 prevents adhesive 18 from flowing beyond the edge region 17 of the piezoelectric element 14.
  • Excess adhesive 18 flows out of the space between piezo element 14 and diaphragm 12.
  • the adhesive 18 is chosen so that after its curing a rigid connection between the edge regions 17 of the piezoelectric element 14 and the vibrating surface 13 of the membrane 12 is formed, so that upon electrical excitation of the piezoelectric element 14 thrust forces can be transferred to the membrane 12.
  • FIG. 5 shows a variant of the transducer with a film between the piezoelectric element and the membrane.
  • the sound transducer 10 shown in Figure 5 comprises a diaphragm 12 having a vibrating surface 13.
  • a piezoelectric element 14 On the underside of the vibrating surface 13 is a piezoelectric element 14, wherein a film 16 whose area is smaller than the surface of the piezoelectric element 14, serves as a spacer.
  • About adhesive bonds 18, the piezoelectric element 14 is connected at its edge region 17 with the vibrating surface 13 of the membrane 12.
  • Additional adhesive dots 20 are each arranged between the oscillating surface 13, the film 16 and the piezoelectric element 14, wherein the adhesive dots 20 are located in the region of the center of the piezoelectric element 14. Due to the additional adhesive dots 20 is in this
  • Embodiment of the transducer 10 according to the invention a lifting of the
  • FIG. 6 shows a further variant of a sound transducer in which between
  • the sound transducer 10 comprises a membrane 12 with a vibrating surface 13 on the underside of a piezoelectric element 14 is arranged, wherein a film 16 between the piezoelectric element 14 and the vibrating surface 13 of the membrane 12 serves as a spacer. At the edge regions 17, the piezoelectric element 14 is connected to the vibrating surface 13 of the membrane 12 via bonds 18.
  • a soft material is used for the film 16.
  • FIGS. 7 a and b show embodiments of the sound transducer in which damping material is arranged below the piezo element 14.
  • Figure 7a shows a transducer 10 in which between the piezoelectric element 14 and the
  • Membrane 12 a film 16 is added. By bonding 18 between membrane 12, film 16 and piezoelectric element 14 in the region of the edges 17 of the piezoelectric element 14, a force transmission from the piezoelectric element 14 to the membrane 12 is ensured. Will that be
  • Piezo element 14 excited via an alternating electrical field to vibrate these are transmitted via the adhesive bonds 18 and the film 16 to the membrane 12.
  • Damping material 36 arranged.
  • damping material 36 in particular non-conductive elastomers are suitable.
  • FIG. 7b likewise shows the arrangement of damping material 36 in the free regions adjoining the piezoelectric element 14, but in this embodiment the piezoelectric element 14 is connected to the membrane 12 via webs 24 and adhesive bonds 18.
  • FIG. 7 c likewise shows a sound transducer 10 in which the piezoelectric element 14 is connected to the membrane 12 via webs 24 and bonds 18, as in FIG. 7 b.
  • the damping material 38 is arranged in a cavity which is formed by the piezoelement 14, the membrane 12 and the webs 24.
  • Embodiments as shown in Figures 7b and 7c are combined so that cavities 36, 38 are filled with a damping material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler (10) umfassend eine Membran (12) und mindestens ein Piezoelement(14), wobei die Schwingungsebene des Piezoelements (14) im Wesentlichen parallel zur schwingenden Fläche (13) der Membran (12) angeordnet ist, die Membran (12) im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements(14) schwingt und die schwingende Fläche (13) der Membran (12) größer ist als die Fläche des Piezoelements (14), wobei das Piezoelement (14) an seinen Randbereichen (17) auf der der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement (14) auf die Membran (12) übertragen werden,wobei an die der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche des Piezoelements (14) mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement (14), die schwingende Fläche (13) der Membran (12) und die Verbindung zwischen Piezoelement (14) und Membran (12) gebildet wird,oder zwischen dem Piezoelement (14) und der Membran (12) eine Folie (16) angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements (14) die Membran (12) nicht berühren.

Description

Beschreibung Titel
Schallwandler
Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Schallwandler umfassend eine Membran und mindestens ein Piezoelement, wobei die Schwingungsebene des Piezoelements parallel zur Membran angeordnet ist, die Membran senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements schwingt und die schwingende Fläche der Membran größer ist als die Fläche des Piezoelements. Schallwandler kommen beispielweise in Ultraschallsensoren zum Einsatz, mit denen sich der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und einem reflektierenden Objekt messen lässt. Der Schallwandler dient darin als Sender und/oder Empfänger, wobei in einem ersten Schritt ein Ultraschallpuls abgestrahlt wird. Trifft der Ultraschallpuls auf ein reflektierendes Objekt, wird ein Ultraschallecho erzeugt, welches über den Schallwandler wieder detektiert werden kann. Aus der Zeit, die zwischen Aussenden des Ultraschallpulses und Detektieren des Ultraschallechos vergangen ist, sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit, kann die Entfernung zum reflektierenden Objekt berechnet werden.
Eingesetzt werden die Ultraschallsensoren beispielsweise in Fahrassistenzsystemen zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeugs bei Fahrmanövern. Dabei wird beispielsweise bei einem Einparkvorgang mit Hilfe eines oder mehrerer Ultraschallsensoren der Nahbereich des Fahrzeugs abgetastet. Für den Einsatz der Ultraschallsensoren in weiteren
Assistenzsystemen sind Abstandsmessungen von Objekten in einer Entfernung von mehreren Metern erforderlich. Da die Amplitude der Ultraschallpulse mit der Entfernung abnimmt, müssen die Schallwandler für Abstandsmessungen weit entfernter Objekte einen möglichst großen Schalldruck erzeugen. Gleichzeitig sollen die Schallwandler breitbandig sein, das heißt der Schallwandler soll in der Lage sein, über einen großen Frequenzbereich Schall zu erzeugen und wieder detektieren zu können. Die Breitbandigkeit ist erforderlich, um auch im Falle sich bewegender Objekte und/oder eines sich zusammen mit dem
Fahrzeug bewegenden Ultraschallsensors zuverlässig messen zu können, da sich durch die Bewegung die Frequenz des empfangenen Ultraschallechos aufgrund des Dopplereffekts verschiebt.
Des Weiteren müssen die in Ultraschallsensoren für Fahrzeuge verwendeten Schallwandler hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität gerecht werden. Insbesondere bei Ultraschallsensoren, die in der Front eines Fahrzeugs angeordnet sind, können durch fliegende Steinchen oder andere Partikel die Schallwandler stark beansprucht werden. Dabei dürfen die darin enthaltenen Piezoelemente, die im Wesentlichen aus einer Keramik bestehen, nicht beschädigt werden. Ein Zerbrechen des Piezoelements würde zum
Totalausfall des Bauteils führen.
Aus der DE 197 50 179 A1 ist ein Schallwandler bekannt, der eine Membran aus einem Epoxid-Hohlglaskugel-Gemisch und eine piezokeramische Scheibe umfasst. Die
mechanische Verbindung von Keramikscheibe und Membran wird durch eine dünne, harte Klebeschicht realisiert, um Scherkräfte übertragen zu können. Dabei wird eine
Querkontraktion der piezokeramischen Scheibe in eine Dickenschwingung der Membran umgesetzt.
Aus DE 20 2007 007 135 U1 ist ein piezoelektrischer Ultraschallwandler bekannt. Das piezoelektrische Wandlerelement ist dabei in einem topfförmigen Gehäuse untergebracht. Der Boden des Gehäuses wirkt als schallabstrahlende Membran. Das piezoelektrische Wandlerelement berührt den Boden bzw. die Membran dabei nicht, sondern ist mit den Wänden des topfförmigen Gehäuses verbunden. Die Verbindung zwischen dem
piezoelektrischen Wandlerelement und der Topfinnenwand wird über einen
hochtemperaturfesten Kleber hergestellt.
DE 196 20 133 A1 offenbart einen Ultraschallsensor mit piezoelektrischem Wandlerelement. Der Sensor weist eine Deckplatte auf, die durch das Wandlerelement zum Schwingen angeregt wird. Die Deckplatte umfasst konzentrische Stege, mit denen eine Scheibe, die als Membran wirkt, auf dem piezoelektrischen Wandlerelement befestigt wird. Die Hohlräume zwischen dem Wandlerelement und der Membran können mit einem nicht-leitenden
Elastomer aufgefüllt sein. Das Abstrahlverhalten und die Resonanzfrequenz der Membran werden durch die Anordnung der Stege eingestellt. Nachteilig am Stand der Technik ist, dass keine der bekannten Sensoranordnungen einen hohen Schalldruck bei gleichzeitiger Breitbandigkeit erzeugen kann. Zudem grenzen bei den bekannten Sensoranordnungen die piezoelektrischen Wandler direkt an die Membran oder an das Gehäuse an, so dass äußere Einwirkungen, wie Steinschläge, die aus einer Keramik bestehenden Piezoelemente schädigen können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Schallwandler umfassend eine Membran und mindestens ein Piezoelement vorgeschlagen, wobei die Schwingungsebene des Piezoelements im
Wesentlichen parallel zur Membran angeordnet ist, die Membran im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements schwingt und die schwingende Fläche der Membran größer ist als die Fläche des Piezoelements, wobei das Piezoelement an seinen Randbereichen auf der der schwingenden Fläche der Membran zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche der Membran verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement auf die Membran übertragen werden, und wobei an die der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement, die schwingende Fläche der Membran und den Verbindungen zwischen Piezoelement und Membran begrenzt wird, oder zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran eine Folie angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements die Membran nicht berühren.
Hierbei bezeichnet im Wesentlichen Abweichungen der Schwingungsebene des
Piezoelements von einer Ausrichtung parallel zur Membran beziehungsweise Abweichungen der Schwingungen der Membran von einer Ausrichtung senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements, die im Bereich von bis zu ± 30° zur parallelen beziehungsweise senkrechten Ausrichtung liegen können. Derartige Abweichungen können unbeabsichtigt, beispielsweise durch produktionsbedingte Ungenauigkeiten, entstehen oder beabsichtigt, beispielsweise zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik, vorgesehen werden oder durch eine Kombination hieraus bedingt sein.
Zur Abstrahlung von Schall muss die Membran durch das Piezoelement in Schwingung versetzt werden. Dabei führt das Piezoelement Schwingungen entlang einer Ebene aus, die im Wesentlichen parallel zur Membran liegt. Zur Umsetzung dieser Bewegung in eine Dickenschwingung, das heißt eine Schwingung im Wesentlichen entlang der Flächennormalen der Membran, muss sich die Membran wölben.
Hierbei kann die Verbindung zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran zumindest teilweise entlang der Randbereiche des Piezoelementes ausgeführt sein, beispielsweise sequentiell. Bevorzugt ist die Verbindung im Wesentlichen entlang der gesamten Randbereiche des Piezoelementes ausgeführt. Wäre das Piezoelement mit der Membran vollflächig verbunden, würde der Gesamtverbund aus Membran und Piezoelement eine höhere Steifigkeit als die Membran alleine aufweisen. Die Schwingungsamplitude der Membran wäre geringer und damit auch der erzeugte Schalldruck. Des Weiteren würde ein Verbund aus Membran und Piezoelement eine größere Masse als die Membran alleine besitzen. Bei gleicher Schwingungsamplitude muss für den Verbund aus Membran und Piezoelement mehr Energie aufgewendet werden als für die Membran alleine. Durch das Vorsehen der Verbindung zwischen dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran an den Randbereichen des Piezoelements wird zum einen eine Übertragung der durch die Schwingung des Piezoelements entstehenden Schubspannungen auf die schwingende Fläche der Membran sichergestellt, zum anderen muss das Piezoelement nicht jede Verformung der Membran mitmachen. Der zwischen der der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements und der Membran eingeschlossene Raum bzw. die Folie zwischen der Membran und dem Piezoelement tragen dazu bei, dass sich die Membran weitestgehend ungehindert verformen kann.
Das Vermeiden einer vollflächigen Verbindung zwischen der Membran und dem
Piezoelement wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Steinschlagfestigkeit des Schallwandlers aus. Eine punktförmige Belastung, wie durch einen fliegenden Stein, führt zwar weiterhin zu einer starken Verformung und eventuell einer lokalen Beschädigung der Membran, das Piezoelement ist jedoch nicht auf der gesamten Fläche fest mit der Membran verklebt. Der Raum beziehungsweise die Folie zwischen Membran und Piezoelement können so die Verformung aufnehmen, ohne dass Kräfte auf das Piezoelement einwirken und dieses beschädigen können.
Die verwendete Membran des Schallwandlers kann je nach Ausführungsform flach oder gebogen sein. Eine Biegung der Membran kann beispielsweise als Wölbung einer im
Wesentlichen flachen Membran ausgeführt sein oder die Membran kann topfförmig ausgeformt sein. Auch ist es denkbar, mehrere Formen zu kombinieren, so dass eine topfförmige Membran mit einem flachen Bereich oder mit einem gewölbten Bereich denkbar ist. Die Form der Membran beeinflusst die Schallabstrahlung und die Richtcharakteristik des Schallwandlers und kann je nach Anwendung angepasst werden. Beispielsweise resultiert eine rotationssymmetrische Form in einer homogeneren Richtcharakteristik als
Formgebungen der Membran, die rechteckige, quadratische oder beliebige polygonale Formen umfassen. Das Piezoelement weist eine geringere Fläche als die Membran auf, wobei die Formgebung des Piezoelements bevorzugt an der Form der schwingenden Fläche der Membran orientiert ist. Des Weiteren sind wiederum neben rotationssymmetrischen Formen weitere Gestaltungen, wie rechteckige, quadratische, elliptische oder polygonale Formen, möglich. So ist es beispielsweise bevorzugt bei einer runden schwingenden Fläche der Membran auch ein rundes Piezoelement zu verwenden. In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schallwandlers kann beispielsweise bei einer runden Membran auch ein rechteckiges Piezoelement verwendet werden. Die Verbindung zwischen den Randbereichen des Piezoelements und der schwingenden
Fläche der Membran erfolgt bevorzugt durch Kleben. Dabei ist der Klebstoff vorzugsweise so beschaffen, dass eine Dehnung des Piezoelementes nicht in einer Deformation des
Klebstoffes übergeht, sondern über die Verbindung in den Randbereichen des
Piezoelementes eine Deformation der Membran bewirkt. Neben Kleben sind auch
Klemmverbindungen zwischen den Randbereichen des Piezoelements und der
schwingenden Fläche der Membran denkbar.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers wird die Verbindung zwischen der Membran und dem Piezoelement durch Verkleben des Rands des
Piezoelements mit an der Membran angeordneten Stegen hergestellt. Dabei kann durch die Länge der Stege, auf die das Piezoelement geklebt wird, das Verhältnis von Kraft und Auslenkung festgelegt werden. Je kürzer die Stege ausgeführt werden, desto größer ist das Übersetzungsverhältnis von der Auslenkung der Membran zur Auslenkung des
Piezoelements. Dadurch steigt aber auch die vom Piezoelement aufzuwendende Kraft und damit die Spannungen in dem Piezoelement. Zwischen den Stegen, dem Piezoelement und der schwingenden Fläche der Membran befindet sich ein Hohlraum. Zur Dämpfung von Nachschwingungen der Membran, so dass diese nach dem Beenden einer Anregung durch das Piezoelement schneller zur Ruhe kommt, wird in einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Schallwandlers dieser Hohlraum mit einem elastischen Material zur Dämpfung der Membran ausgefüllt. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers ist zwischen der Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet. Die Kraftübertragung vom
Piezoelement auf die schwingende Fläche der Membran wird durch Verklebungen zwischen dem Piezoelement und der Folie sowie zwischen der Folie und der Membran im
Randbereich des Piezoelements sichergestellt. Die verwendete Folie weist dabei bevorzugt eine hohe Schubsteifigkeit auf, so dass über die Folie eine Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die Membran erfolgen kann. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Schallwandlers ist zwischen der
Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet, wobei die Abmessungen der Folie kleiner als die des Piezoelements sind und die nicht von der Folie abgedeckten Bereiche des Piezoelements mit der Membran verklebt sind. Die Folie wirkt in dieser Ausführungsform als Abstandshalter und verhindert, dass überschüssiger Klebstoff außerhalb des Randbereichs des Piezoelements zu einer ungewollten Verbindung zwischen der Membran und dem
Piezoelement führt. Bevorzugt wird dabei ein Klebstoff verwendet, der nach dem Aushärten ein großes Schubmodul aufweist, so dass eine Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die schwingende Fläche der Membran erfolgen kann. In Ausführungsformen des Schallwandlers, bei denen ein definiertes Aufliegen der
Piezokeramik auf der Membran sichergestellt werden muss, kann eine zwischen Membran und Piezoelement angeordnete Folie in der Mitte mit jeweils einem Klebepunkt mit der Membran und dem Piezoelement verklebt werden. Als weitere Variante ist es denkbar, wenn eine Folie mit geringeren Abmessungen als das Piezoelement eingesetzt wird, diese schubweich auszuführen. Eine schubweiche Folie verformt sich beim Auftreten von Schubkräften, so dass keine bzw. keine nennenswerte Kraftübertragung von dem Piezoelement auf die Membran über die schubweiche Folie erfolgt. In dieser Variante ist es möglich, die Folie mit der geringen Schubsteifigkeit flächig mit dem Piezoelement und der Membran zu verkleben.
Für eine optimale Umsetzung der Schwingung des Piezoelements in eine Dickenschwingung der Membran kann die Verbindung zwischen der schwingenden Fläche der Membran und dem Piezoelement in der Nähe des Rands der schwingenden Fläche der Membran angeordnet sein. Da die Einfassung der Membran in der Regel eine hohe Steifigkeit aufweist und wenig zur Erzeugung des Schalldrucks beiträgt, ist es bevorzugt, zwischen dem Rand der schwingenden Fläche der Membran und der Stelle der Membran, an der diese mit dem Piezoelement verbunden ist, eine Sicke anzuordnen. Dadurch wird vermieden, dass bei der Schwingungsanregung der Membran gegen deren Einfassung angearbeitet wird und Energie ungenutzt verloren geht. Alternativ kann es bei hohen Resonanzfrequenzen zwischen 20 KHz und 100 kHz, bevorzugt mehr als 40 kHz, beispielsweise 50 kHz, vorteilhaft sein, den Rand der schwingenden Fläche der Membran ohne Sicke oder mit einer Verdickung auszuführen In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sicke durch Reduzierung der Materialstärke an der schwingenden Fläche der Membran ausgebildet. Weitere
Ausgestaltungsmöglichkeiten der Sicke sind beispielsweise Wölbungen oder Vertiefungen an der schwingenden Fläche der Membran. In analoger Weise kann die mindestens eine Verdickung durch Erhöhen der Materialstärke der Membran ausgebildet kann.
Die Membran des erfindungsgemäßen Schallwandlers kann aus einem Metall, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff, etwa einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, gefertigt sein. Bevorzugt ist die Membran aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt. Das Piezoelement umfasst bevorzugt eine piezoelektrische Keramik, wobei gegebenenfalls mehrere Schichten zu einem Piezostapel angeordnet werden können.
Zur Dämpfung des Schallwandlers kann in dem Bereich unterhalb des Piezoelements sowie in dem Bereich zwischen dem Piezoelement und dem Rand des Gehäuses ein
Dämpfungsmaterial angeordnet werden. Als Dämpfungsmaterial wird bevorzugt ein nichtleitendes Elastomer eingesetzt. Durch die zusätzliche Dämpfung wird ein
Nachschwingen der Membran nach Beendigung der Anregung durch das Piezoelement rasch beendet, so dass der Schallwandler, wenn er als kombiniertes Sende- und
Empfangselement eingesetzt wird, bereits kurze Zeit nach Aussendung eines Schallpulses bereit zum Empfang von Echos ist.
Die Resonanzfrequenz des Schallwandlers kann durch das Anordnen von Sicken oder Verdickungen, der Wahl von Form, Material und Dicke der Membran, sowie gegebenenfalls durch die Form und Länge der Stege eingestellt werden. Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Schallwandler breitbandig durch die Reduzierung der schwingenden Masse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figuren 1 a
und 1 b zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers, bei dem das Piezoelement über Stege mit der schwingenden Fläche der Membran verbunden ist,
Figur 2a zeigt eine an der schwingenden Fläche der Membran angeordnete Sicke,
Figur 2b zeigt eine an der schwingenden Fläche der Membran angeordnete Verdickung zeigt eine Ausführungsform des Schallwandlers, bei der zwischen dem Piezoelement und der Membran eine Folie angeordnet ist, zeigt eine weitere Ausführungsform des Schallwandlers mit einer Folie zwischen Piezoelement und Membran, wobei die Folie eine geringere Fläche aufweist als das Piezoelement, Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des Schallwandlers mit Folie, wobei die Folie mit einem Klebepunkt in der Mitte mit der Membran und dem Piezoelement verklebt ist, zeigt einen Schallwandler mit einer zwischen Membran und Piezoelement angeordneten Folie, wobei die Folie weich ist und flächig mit dem Piezoelement und der Membran verklebt ist,
Figuren 7a
und 7b zeigen verschiedene Ausführungsformen des Schallwandlers, bei der unterhalb des Piezoelements Dämpfungsmaterial angeordnet wurde, Figur 7c zeigt einen Schallwandler, bei dem in dem zwischen den Stegen, dem
Piezoelement und der Membran gebildeten Raum Füllmaterial zur Dämpfung aufgenommen ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Figuren 1 a und b zeigen einen Schallwandler, bei dem das Piezoelement über Stege mit der Membran verbunden ist.
Der Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12, die in der in Figur 1 dargestellten
Ausführungsform topfformig ausgestaltet ist. Die schwingende Fläche 13 der Membran 12 ist hier im Ruhezustand, das heißt ohne Anregung zum Schwingen, flach ausgeführt. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist auch eine gewölbte Ausgestaltung der schwingenden Fläche 13 denkbar. In der Nähe des Rands 15 der Membran 12 sind Stege 24 angeordnet, an deren Enden ein Piezoelement 14 durch Verklebungen 18 aufgenommen ist. Die Position der Stege 24 ist dabei so gewählt, dass diese den Rand 15 der Membran nicht berühren, aber ein Verkleben mit dem Randbereich 17 des Piezoelements 14 ermöglichen.
In Figur 1 a sind sowohl das Piezoelement 14 als auch die schwingende Fläche 13 der Membran 12 in ihren jeweiligen Ruhezuständen dargestellt. Zur Abstrahlung von Schall wird das Piezoelement 14 elektrisch angeregt und führt dann, abhängig von der Frequenz und Stärke des anregenden elektrischen Wechselfeldes, Schwingungen entlang der mit dem Bezugszeichen 28 angezeigten Richtung aus. Über die Verbindungen des Piezoelements 14 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 werden dabei Schubkräfte auf die
Membran 12 übertragen. Die schwingende Fläche 13 der Membran 12 führt daraufhin Dickeschwingungen senkrecht zur Flächennormalen der schwingenden Fläche 13 aus, wie mit dem Pfeil 26 angedeutet.
In Figur 1 b ist das Piezoelement 14 in einem kontrahierten Zustand dargestellt. Angeregt durch ein elektrisches Wechselfeld zieht sich das Piezoelement 14 in der mit Bezugszeichen 28 versehenen Richtung zusammen. Die dabei auftretenden Schubkräfte werden über die Verbindung des Piezoelements 14 zur schwingenden Fläche 13 der Membran 12 auf die Membran 12 übertragen. In der dargestellten Ausführungsform wird die Verbindung über die Stege 24 und die Verklebungen 18 gewährleistet. Aufgrund der Kontraktion des Piezoelements 14 wölbt sich die schwingende Fläche 13 der Membran 12. Die Frequenz dieser Schwingung entspricht der Frequenz des elektrischen Feldes, mit dem das
Piezoelement 14 angeregt wird. Die Schwingung der Membran 12 verursacht
Druckschwankungen in der angrenzenden Luft, wodurch der Schall erzeugt wird.
Umgekehrt kann die schwingende Fläche 13 der Membran 12 durch Schallwellen aus der Luft zur Schwingung angeregt werden und diese über die Stege 24 und Verklebung 18 auf das Piezoelement 14 übertragen. Das Piezoelement 14 setzt in diesem Fall die
mechanischen Schwingungen in eine elektrische Spannung um.
Figur 2a zeigt eine Membran 12 eines Schallwandlers, an der eine Sicke angeordnet ist.
Die Membran 12 eines Schallwandlers 10 weist einen Rand 15 und eine schwingende Fläche 13 auf. An der schwingenden Fläche 13 sind in der Nähe des Rands 15 Stege 24 vorgesehen, über die der Randbereich 17 eines Piezoelements 14 über eine Verklebung 18 mit der Membran 12 verbunden wird. Durch Anregung des Piezoelements 14 mit einem elektrischen Wechselfeld werden Schwingungen erzeugt, die über die Verklebung 18 und den Steg 24 auf die schwingende Fläche 13 der Membran übertragen werden. Die Steifheit der Membran 12 ist jedoch im Bereich ihres Rands 15 erhöht. Bei der Anregung einer Dickenschwingung in der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 muss daher gegen den steifen Rand 15 angearbeitet werden. Zur Reduzierung der dabei auftretenden
Energieverluste wird deswegen eine Sicke 30 zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 angeordnet. Die Sicke 30 ist in der gezeigten Ausführungsform als Reduzierung der Materialstärke ausgeführt. Wie aus der Figur 2a ersichtlich, ist die Membran 12 an der Stelle 32 dünner ausgeführt als an der Stelle 34, die sich an der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 befindet.
Figur 2b zeigt eine Membran 12 eines Schallwandlers, an der eine Verdickung angeordnet ist.
Eine Alternative zu der in Figur 2a gezeigten Ausführungsform ist in Figur 2b dargestellt. Hier ist statt der Sicke 30 eine Verdickung 31 zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 angeordnet. Die
Verdickung 31 ist in der gezeigten Ausführungsform als Erhöhung der Materialstärke ausgeführt. Wie aus der Figur 2b ersichtlich, ist die Membran 12 beispielsweise an der Stelle 33 dicker ausgeführt als an der Stelle 34, die sich an der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 befindet. Die in Figur 2b gezeigte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei hohen Resonanzfrequenzen, da die Verdickung 31 im Bereich zwischen dem Rand 15 und dem über den Steg 24 mit dem Piezoelement 14 verbundenen Bereich der Membran 12 eine höhere Stabilität und damit eine höhere Steifigkeit gewährt.
Figur 3 zeigt einen Schallwandler, bei dem zwischen dem Piezoelement und der Membran eine Folie angeordnet ist.
Der Schallwandler 10 weist eine Membran 12 auf, welche in der dargestellten
Ausführungsform topfförmig ausgeführt ist, wobei die schwingende Fläche 13 der Membran 12 im Ruhezustand flach ausgestaltet ist. An der unteren Seite der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 ist eine Folie 16 angeordnet, die ein Piezoelement 14 von der
schwingenden Fläche 13 der Membran 12 trennt. Die Folie 16 und das Piezoelement 14 sind dabei kleiner als die schwingende Fläche 13 ausgeführt, so dass beide den Rand 15 der Membran 12 nicht berühren. Für die Verbindung zwischen schwingender Fläche 13, der Folie 16 und des Piezoelements 14 sind Klebeverbindungen 18 vorgesehen. Die
Klebeverbindungen 18 sind ausschließlich in den Randbereichen 17 des Piezoelements 14 vorhanden. Der größte Teil der der Membran zugewandten Fläche des Piezoelements 14 wird nicht verklebt. Das Material der Folie 16 sowie der verwendete Klebstoff werden so gewählt, dass diese geeignet sind, Schubkräfte, die bei der Anregung des Piezoelements 14 über ein elektrisches Feld entstehen, auf die schwingende Fläche 13 der Membran 12 zu übertragen.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schallwandlers bei dem eine Folie zwischen Piezoelement und schwingender Fläche der Membran angeordnet ist, wobei die Fläche der Folie kleiner ist als die des Piezoelements. Zwischen der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 des Schallwandlers 10 und dem Piezoelement 14 ist wieder eine Folie 16 aufgenommen. Die Fläche der Folie 16 ist so gewählt, dass diese die Oberfläche des Piezoelements 14 nicht vollständig bedeckt. Die Folie 16 wirkt als Abstandshalter zur Regulierung des Abstands des Piezoelements 14 zur schwingenden Fläche 13 der Membran 12. Des Weiteren wird durch die Folie 16 verhindert, dass Klebstoff 18 über den Randbereich 17 des Piezoelements 14 hinausfließen kann. Überschüssiger Klebstoff 18 fließt aus dem Raum zwischen Piezoelement 14 und Membran 12 hinaus. Der Klebstoff 18 wird so gewählt, dass nach seinem Aushärten eine schubstarre Verbindung zwischen den Randbereichen 17 des Piezoelements 14 und der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 entsteht, so dass bei elektrischer Anregung des Piezoelements 14 Schubkräfte auf die Membran 12 übertragen werden können.
Figur 5 zeigt eine Variante des Schallwandlers mit einer Folie zwischen Piezoelement und Membran. Der in Figur 5 gezeigte Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12 mit einer schwingenden Fläche 13. An der Unterseite der schwingenden Fläche 13 befindet sich ein Piezoelement 14, wobei eine Folie 16, deren Fläche kleiner ist als die Fläche des Piezoelements 14, als Abstandshalter dient. Über Klebeverbindungen 18 ist das Piezoelement 14 an seinem Randbereich 17 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 verbunden. Zusätzliche Klebepunkte 20 sind jeweils zwischen der schwingenden Fläche 13, der Folie 16 und dem Piezoelement 14 angeordnet, wobei sich die Klebepunkte 20 im Bereich der Mitte des Piezoelements 14 befinden. Durch die zusätzlichen Klebepunkte 20 wird in dieser
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers 10 ein Abheben der
schwingenden Fläche der Membran 13 vom Piezoelement 14 verhindert.
Figur 6 zeigt eine weitere Variante eines Schallwandlers bei dem zwischen der
schwingenden Fläche der Membran und dem Piezoelement eine Folie angeordnet ist.
Der Schallwandler 10 umfasst eine Membran 12 mit schwingender Fläche 13 an deren Unterseite ein Piezoelement 14 angeordnet ist, wobei eine Folie 16 zwischen Piezoelement 14 und der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 als Abstandshalter dient. An den Randbereichen 17 ist das Piezoelement 14 mit der schwingenden Fläche 13 der Membran 12 über Verklebungen 18 verbunden. In dieser Ausführungsform wird für die Folie 16 ein weiches Material verwendet. Dadurch kann über die Folie 16 trotz flächiger Verklebungen 22 jeweils zwischen der schwingenden Fläche 13, der Folie 16 und dem Piezoelement 14 keine bzw. nur eine geringe Schubkraft vom Piezoelement 14 auf die schwingende Fläche 13 über die Folie 16 übertragen werden.
Auch in dieser Ausführungsform wird ein Abheben der Membran 12 vom Piezoelement 14 verhindert. In den Figuren 7a und b sind Ausführungsformen des Schallwandlers dargestellt, bei denen unterhalb des Piezoelements 14 Dämpfungsmaterial angeordnet ist. Figur 7a zeigt einen Schallwandler 10 bei dem zwischen dem Piezoelement 14 und der
Membran 12 eine Folie 16 aufgenommen ist. Durch Verklebungen 18 zwischen Membran 12, Folie 16 und Piezoelement 14 im Bereich der Ränder 17 des Piezoelements 14 wird eine Kraftübertragung vom Piezoelement 14 auf die Membran 12 sichergestellt. Wird das
Piezoelement 14 über ein elektrisches Wechselfeld zur Schwingung angeregt, werden diese über die Klebeverbindungen 18 und die Folie 16 auf die Membran 12 übertragen. Um ein
Nachschwingen der Membran 12 nach dem Ende der Anregung durch das Piezoelement 14 zu unterbinden, ist in den freien Bereichen, die an das Piezoelement 14 angrenzen,
Dämpfungsmaterial 36 angeordnet. Als Dämpfungsmaterial 36 sind insbesondere nichtleitende Elastomere geeignet.
In Figur 7b ist ebenfalls die Anordnung von Dämpfungsmaterial 36 in den freien Bereichen, die an das Piezoelement 14 angrenzen, dargestellt, jedoch ist das Piezoelement 14 in dieser Ausführungsform über Stege 24 und Klebeverbindungen 18 mit der Membran 12 verbunden. In Figur 7c ist ebenfalls ein Schallwandler 10 dargestellt, bei dem das Piezoelement 14 wie in Figur 7b über Stege 24 und Verklebungen 18 mit der Membran 12 verbunden ist. Im Gegensatz zur Figur 7b ist das Dämpfungsmaterial 38 in einem Hohlraum angeordnet, der vom Piezoelement 14, der Membran 12 und den Stegen 24 gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallwandlers können die
Ausführungsformen wie sie in den Figuren 7b und 7c dargestellt sind kombiniert werden, so dass Hohlräume 36, 38 mit einem Dämpfungsmaterial aufgefüllt sind.

Claims

Ansprüche 1 . Schallwandler (10) umfassend eine Membran (12) und mindestens ein
Piezoelement (14), wobei die Schwingungsebene des Piezoelements (14) im Wesentlichen parallel zur schwingenden Fläche (13) der Membran (12) angeordnet ist, die Membran (12) im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene des Piezoelements (14) schwingt und die schwingende Fläche (13) der Membran (12) größer ist als die Fläche des Piezoelements (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (14) an seinen Randbereichen (17) auf der der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche zumindest teilweise mit der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) verbunden ist, so dass Kräfte vom Piezoelement (14) auf die Membran (12) übertragen werden, wobei an die der schwingenden Fläche (13) der Membran (12) zugewandten Fläche des Piezoelements (14) mindestens ein Raum angrenzt, der durch das Piezoelement (14), die schwingende Fläche (13) der Membran (12) und die Verbindung zwischen Piezoelement (14) und Membran (12) gebildet wird, oder zwischen dem Piezoelement (14) und der Membran (12) eine Folie (16) angeordnet ist und wobei die übrigen Flächen des Piezoelements (14) die Membran (12) nicht berühren.
2. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung an den Randbereichen (17) des Piezoelements (14) mit der Membran (12) durch Kleben erfolgt.
3. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Piezoelements (14) mit der Membran (12) durch Verkleben des
Piezoelements (14) mit an der Membran (12) angeordneten Stegen (24) erfolgt.
4. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Membran (12), die Stege (24) und das Piezoelement (14) gebildete Raum mit einem Material (36) zur Dämpfung der Membran (12) ausgefüllt ist.
5. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) eine hohe Schubsteifigkeit aufweist, so dass eine Kraftübertragung von dem
Piezoelement (14) auf die Membran (12) über die Folie (16) erfolgt.
6. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Folie (16) kleiner als die des Piezoelements (14) sind und die nicht von der Folie (16) abgedeckten Bereiche des Piezoelements (14) mit der Membran (12) verklebt sind.
7. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) in der Mitte mit jeweils einem Klebepunkt (20) mit der Membran (12) und dem Piezoelement (14) verklebt wird.
8. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (16) über ihre gesamte Fläche mit der Membran (12) und dem Piezoelement (14) verklebt ist, wobei die Folie (16) eine geringe Schubsteifigkeit aufweist, so dass keine Kraftübertragung von dem Piezoelement (14) auf die Membran (12) über die Folie (16) erfolgt.
9. Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran (12) zwischen der Verbindung mit dem Piezoelement (14) und dem
Rand (15) der Membran (12) mindestens eine Sicke (30) oder mindestens eine Verdickung (31 ) angeordnet ist.
10. Schallwandler (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sicke (30) durch Reduzierung der Materialstärke der Membran (12) ausgebildet ist oder die mindestens eine Verdickung (31 ) durch Erhöhen der Materialstärke der Membran (12) ausgebildet ist.
1 1 . Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) aus einem Metall, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff gefertigt ist.
12. Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schallwandlers (10) durch Anordnen von Sicken (30) oder Erhöhungen (31 ), Wahl von Form, Material und Dicke der Membran (12) sowie
gegebenenfalls durch die Form und Länge der Stege (24) vorgegeben ist.
13. Schallwandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Membran (12) abgewandten Seite des Piezoelements (14)
Dämpfungsmaterial (38) angeordnet ist.
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