WO2021175643A1 - Wasserschallwandler - Google Patents

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WO2021175643A1
WO2021175643A1 PCT/EP2021/054356 EP2021054356W WO2021175643A1 WO 2021175643 A1 WO2021175643 A1 WO 2021175643A1 EP 2021054356 W EP2021054356 W EP 2021054356W WO 2021175643 A1 WO2021175643 A1 WO 2021175643A1
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water
borne sound
transducer
electrode
transducer element
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PCT/EP2021/054356
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Christoph Meyer
Stephan Rautenberg
Christian SCHMEDT
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Atlas Elektronik Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones

Definitions

  • the invention relates to pressure-stable water-borne sound transducers, also referred to as hydrophones, and a production method for the same.
  • Water-borne transducers typically have a piezoceramic. This can be designed as a hollow body, as a solid body or as a piezocomposite ceramic.
  • the water-borne sound converter has electrodes.
  • the electronics are then connected to the electrode by means of a wire or a conductive adhesive.
  • Soldering a wire during production cannot be automated or can only be automated with great effort.
  • the conductive adhesive is often hydrophilic, so that special precautions would have to be taken to ensure a permanently reliable and pressure-stable connection between the electronics and the electrode.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for water-borne sound converters and their manufacturing method.
  • Embodiments show a water-borne transducer with a transducer element which is designed to receive water-borne sound and to output a water-borne sound signal corresponding to the water-borne sound and / or to emit a water-borne sound corresponding to a water-borne signal.
  • the transducer element has an electrode which enables electrical contact to be made with the transducer element.
  • a circuit board is connected to the electrode, with a solder establishing the electrical and mechanical connection between the circuit board and the Electrode manufactures.
  • the mechanical connection is advantageously designed in such a way that the circuit board and the electrode are connected to one another in a hermetically sealed manner. This means that an area within the mechanical connection is hermetically sealed from the outside world.
  • an array can be built from the water-borne sound converters with its own array housing that is filled with oil.
  • An electronic circuit for example, can be arranged on the circuit board. The electronic circuit can process the water-borne sound signal, ie tap the water-borne sound signal from the water-borne sound converter or apply the water-borne sound signal to the water-borne sound converter.
  • the solder is a means that creates an electrically conductive, typically metallic, connection between the electrode and the circuit board by soldering. When soldering, the solder is heated so much that it melts. After cooling, the solder forms a mechanical and electrical (and in exemplary embodiments also hermetically sealed) connection between the electrode and the circuit board.
  • the transducer element has, for example, a piezoelectric material, in particular a piezoceramic, as sensor material.
  • the piezoelectric material can be arranged as a solid body (e.g. cylinder), as a hollow body (e.g. hollow sphere or hollow cylinder) or as a piezo composite.
  • a piezocomposite comprises a multiplicity of rods of the piezoelectric material, which together form a transducer element. Typically, the rods are cast using a potting compound.
  • solder the circuit board to the electrode of the transducer element. Soldering the circuit board directly onto the transducer element has the advantage over soldering a wire that it is easier to automate. In this way, the circuit board can be soldered to the transducer element in an automated manner, e.g. by means of reflow soldering.
  • At least part of the electronics of the circuit board can even be soldered to the circuit board in the same manufacturing step.
  • the soldering of the wire to the circuit board and the transducer element is difficult to automate and is therefore typically done by hand.
  • the wire is not very stable mechanically and can break. The situation is similar with the direct soldering of the circuit board on the transducer element compared to gluing by means of a conductive adhesive. Gluing is complex to manufacture.
  • the transducer element has a hollow shape, the hollow shape being closed by means of the plate.
  • the conductive adhesive is less pressure-resistant compared to the solder and forms the weaker connection overall. The tightness and the electrical contact from the circuit board to the transducer element can be lost if mechanical stress on the conductive adhesive due to expansion (due to temperature changes or swelling of the conductive adhesive) and / or pressure becomes too great.
  • the hollow shape can be a hollow cylinder which is closed on one side by the plate.
  • the transducer element can, however, also have a further electrode which enables further electrical contact to be made with the transducer element. Contact can thus be made with a first pole of the transducer element by means of the electrode and a second pole of the transducer element by means of the further electrode.
  • the circuit board can contact the further electrode, or a further (second) circuit board, which makes contact with the further electrode, is provided. Another solder creates an electrical and mechanical (and in exemplary embodiments, hermetically sealed) connection between the corresponding circuit board and the electrode.
  • the second plate (if provided) then closes the hollow cylinder on both sides.
  • the first plate closes a first opening of the hollow cylinder and the second plate closes a second opening of the hollow cylinder opposite the first opening.
  • the board and, if provided, the further board are connected to an end face of the hollow cylinder by means of the solder.
  • the solder is advantageously arranged (completely) circumferentially around the hollow cylinder, so that the solder describes a self-contained path.
  • the second opening can, however, also be closed by means of any other terminating element.
  • the hollow shape is a spherical half-shell, with the plate on an end face of the Ball half-shell is arranged.
  • the board is advantageously arranged in the middle between two spherical half-shells, so that the board closes both spherical half-shells to form a full sphere.
  • the two spherical half-shells form a connected transducer element made up of two transducer elements connected in series or separate transducer elements in each case.
  • Such water-borne sound transducers which have a hollow body and are closed by means of the circuit board, have the advantage that they have a hermetically sealed space inside. Electronics can be arranged there, which are protected from interference from external electrical fields. By using the circuit board to close the hollow body, it is also no longer necessary to provide a bore in the hollow body through which a wire for making contact with the internal electrode can be guided into the hollow body.
  • the transducer element comprises the sensory material which has a Curie temperature of more than 300 ° C, in particular more than 340 ° C. It has been shown that the sensory material is sensitive to heat. If the sensory material is exposed to too high a temperature, that is to say to a temperature greater than half the Curie temperature, for too long a period of time, the sensory material loses its necessary polarization. At temperatures whose value is higher than half the Curie temperature in degrees Celsius, the duration of the temporal temperature action must be limited in order to prevent depolarization effects. It is thus possible to use a soldering process in which the maximum temperature is well above half the Curie temperature.
  • a temporal temperature profile is used so that the maximum soldering temperature is only applied to the component or the circuit board for a period of a maximum of 40s, for example approx. 30s. The entire duration of the soldering process is several minutes.
  • One possible sensory material is PZT5 (lead zirconate titanate 5). This has a Curie temperature of 340-380 ° C so that common solders (both lead and lead-free) can be used in circuit board production.
  • a low-temperature solder that has a melting temperature (or liquidus temperature) of less than 180 ° C, in particular less than 165 ° C, having.
  • piezoceramic materials with Curie temperatures ⁇ 300 ° C can also be used.
  • the circuit board and the electrode are connected electrically and mechanically (in exemplary embodiments also hermetically sealed) by means of reflow soldering. This enables the automation of the soldering in a standardized process.
  • the circuit board and the electrode are connected electrically and mechanically (in exemplary embodiments also hermetically sealed) by means of laser reflow soldering.
  • Laser reflow soldering is more complex and expensive but can still be automated.
  • the advantage of laser reflow soldering is that the laser beam generates selective heat. This allows the laser to melt the solder without noticeably heating the sensory material. With the help of this process, all piezoceramic materials can be used, regardless of their Curie temperature.
  • a contact surface for example an end face, on which the transducer element and the circuit board touch, has the absence of the electrode.
  • this has the advantage that an outer electrode drawn onto the contact surface does not need to be insulated from the inner electrode (or vice versa). This simplifies the manufacturing process and reduces the risk of a short circuit between the outer electrode and the inner electrode.
  • the electrode is arranged essentially perpendicular to the board. The solder is then arranged in the resulting angle between the electrode and the circuit board and connects the two with one another.
  • a method for producing a water-borne transducer is shown with the following steps: providing a transducer element which is designed to receive water-borne sound and to output a water-borne sound signal corresponding to the water-borne sound and / or to emit a water-borne sound corresponding to a water-borne signal; Applying a solder to a circuit board and / or an electrode of the transducer element, so that the solder, when the The transducer element and the circuit board are brought together, the circuit board and the electrode are in contact; Heating the solder so that an electrical and mechanical (in exemplary embodiments also hermetically sealed) connection is created between the transducer element and the circuit board.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a cylindrical water-borne sound transducer, FIG. 1a showing a schematic perspective illustration, FIG. 1b a schematic sectional illustration of a hollow-cylindrical embodiment of the water-borne sound transducer, and FIG. 1c a schematic sectional illustration of a fully cylindrical embodiment of the water-borne sound transducer;
  • FIG. 2 a schematic view of a spherical water-borne sound transducer, FIG. 2a showing a schematic side view and FIG. 1b showing a schematic sectional illustration; and
  • FIG. 3 shows a schematic view of a double-hollow-cylindrical water-borne sound transducer, FIG. 3a showing a schematic perspective illustration and FIG. 3b showing a schematic sectional illustration.
  • the water-borne sound transducer 20 has a transducer element 22.
  • the transducer element 22 can receive water-borne sound and output a water-borne sound signal corresponding to the water-borne sound and / or corresponding to a water-borne sound signal Emit water-borne noise.
  • the transducer element 22 has an electrode (cf. reference number 24 in FIGS. 1b and 1c) which enables electrical contact to be made with the transducer element 22.
  • a circuit board 26 is connected to the electrode.
  • a solder 28 establishes an electrical and mechanical connection between the circuit board 26 and the electrode 24.
  • solder is advantageously arranged completely circumferentially around the transducer element or the circuit board, so that the solder forms a self-contained (circular) path.
  • the solder then also forms a hermetically sealed connection between the transducer element and the circuit board.
  • the solder is typically a solder paste.
  • This perspective view allows both fully cylindrical and hollow cylindrical transducer elements 22.
  • an (arbitrary) closing element 32 can (hermetically) close the cavity of the hollow cylinder (cf. FIG. 1b).
  • a further circuit board 26 ' which, like circuit board 26, makes contact with the transducer element.
  • the explanations regarding the contacting of the circuit board 26 with the solder can also be transferred to the circuit board 26 ′.
  • the perspective illustration shown includes both hollow-cylindrical transducer elements and full-cylindrical transducer elements.
  • FIG. 1b shows a hollow cylindrical transducer element 22.
  • the electrode 24 is arranged on the lateral surface, in particular on the inner and outer lateral surface, of the transducer element 22.
  • the solder 28 is then not arranged flat between the circuit board 26 and the electrode 24, but it is sufficient that the solder rather fills an angle that is enclosed by the electrode 24 and the circuit board 26.
  • another solder 28a can be arranged in the cavity of the hollow cylinder 22, and contact another electrode 24a, which is arranged on the opposite (here inner) lateral surface of the hollow cylinder.
  • the closing element 32 is shown as an example in order to (hermetically) close the cavity of the hollow cylinder. Electronics 30 arranged in the cavity are then protected against external interference, for example by electrical fields.
  • the closing element can also be a circuit board.
  • the further solder 28a can then be arranged at an opposite end of the hollow cylinder. In other words, the solder 28a can then connect the further electrode 24a to the further circuit board 26 '.
  • the comments on Lot 28 can also be transferred to Lot 28a.
  • FIG. 1c shows a schematic sectional illustration of a fully cylindrical transducer element 22 without a cavity.
  • the electrodes 24, 24a are arranged on the end face and on the opposite (second) end face of the transducer element 22. That is, the electrode is arranged parallel to the board.
  • the further solder 28a connects the further board 26 'to the further electrode 24' of the transducer element 22.
  • the solders 28, 28a are then arranged between the transducer element or electrode and the corresponding board.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a hollow spherical water-borne sound transducer 20.
  • Fig. 2a shows the water-borne sound transducer in a schematic side view
  • the water-borne sound transducer 20 has two transducer elements 22, 22 ', which are each shaped as a spherical half-shell.
  • the circuit board 26 is arranged between the spherical shells and connects them to form a hollow sphere.
  • the board can be designed flat. In Fig. 2b, however, it is shown with an opening in the interior of the hollow sphere. This is advantageous in order not to adversely affect the acoustic properties of the water-borne sound transducer 20.
  • the board is advantageously at least a two-sided board.
  • the electronic circuit 30 can optionally be accommodated on the circuit board 26.
  • the electronic circuit 30 is then advantageously arranged on the circuit board 26 in such a way that the electronic circuit is arranged in the cavity in the interior of the transducer element 22.
  • the electronic circuit 30 can, however, also be arranged outside the converter element 22.
  • the transducer element 22, ie the first half-shell has an electrode 24 and a further electrode 24a.
  • the first electrode 24 is connected to the circuit board 26 by means of the solder 28.
  • the second electrode 24a is connected to the circuit board 26 by means of the solder 28a.
  • the transducer element 22 ', ie the second half-shell has an electrode 24' and a further electrode 24'a.
  • the first electrode 24 ′ is connected to the circuit board 26 by means of the solder 28 ′.
  • the second electrode 24'a is connected to the circuit board 26 by means of the solder 28'a.
  • the first half-shell is advantageously connected to a first side of the circuit board 26 and the second half-shell to a second side of the circuit board 26.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a further embodiment with double cylindrical transducer elements 22, 22 '.
  • two hollow cylinders are connected here as separate transducer elements 22, 22 ′ by means of the circuit board 26.
  • the hollow cylinders each have a closing element 32, 32 '.
  • the further structural features can be taken from the exemplary embodiments relating to FIGS. 1 and 2 with the aid of the reference symbols.
  • electronic circuit 30 is additionally shown, which is arranged on the circuit board.
  • the electronic circuit 30 can process the water-borne sound signals picked up at the electrodes 24, 24a, 24 ', 24'a or provide a water-borne sound signal that is applied to the electrodes.
  • the respective outer electrodes 24, 24 ′ can also be electrically connected.
  • the transducer elements 22, 22 ' With an opposite polarization of the transducer elements 22, 22 ', the transducer elements are connected in series so that a water-borne sound signal, for example as a voltage, can be tapped or provided at the inner electrodes 24a, 24'a.
  • the water-borne sound transducers described can all have a radially symmetrical shape. However, this does not apply to any electronics. Furthermore, a form the board can also be square instead of round, so that this too is not necessarily radially symmetrical.
  • the disclosed (water) sound transducers are designed for use under water, in particular in the sea.
  • the sound transducers are designed to convert water-borne sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the water-borne sound signal.
  • the sound transducers are designed to convert an applied electrical voltage into water-borne sound.
  • the sound transducers can accordingly be used as water-borne sound converters and / or as water-borne sound transmitters.
  • the sound transducers typically have a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensor material.
  • the transducers can be used for (active and / or passive) sonar (sound navigation and ranging).
  • the sound transducers are not suitable for medical applications.

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Abstract

Es ist ein Wasserschallwandler (20) mit einem Wandlerelement (22) gezeigt. Das Wandlerelement ist ausgebildet, Wasserschall zu empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal auszugeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals Wasserschall auszusenden, wobei das Wandlerelement (22) eine Elektrode (24) aufweist, die eine elektrische Kontaktierung des Wandlerelements ermöglicht. Ferner weist der Wasserschallwandler eine Platine (26) auf, die mit der Elektrode (24) verbunden ist, wobei ein Lot (28) die elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Platine (26) und der Elektrode (24) herstellt.

Description

Wasserschallwandler
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf druckstabile Wasserschallwandler, auch als Hydrophone bezeichnet, und ein Fertigungsverfahren derselben.
Wasserschallwandler weisen typischerweise eine Piezokeramik auf. Diese kann als Hohlkörper, als Vollkörper oder als Piezokompositkeramik ausgebildet sein. Um mittels einer Elektronik ein Wasserschallsignal von den Wasserschallwandlern abgreifen zu können bzw. ein Wasserschallsignal an die Wasserschallwandler anlegen zu können, weist der Wasserschallwandler Elektroden auf. Die Elektronik ist dann mittels eines Drahts oder eines Leitklebers mit der Elektrode verbunden. Beide Verfahren weisen jedoch Nachteile auf. So ist das Anlöten eines Drahts in der Herstellung nicht oder nur mit großem Aufwand automatisierbar. Der Leitkleber ist häufig hydrophil, so dass spezielle Vorkehrungen getroffen werden müssten, um eine dauerhaft zuverlässige und druckstabile Verbindung zwischen der Elektronik und der Elektrode zu gewährleisten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Wasserschallwandler und deren Herstellungsverfahren zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen einen Wasserschallwandler mit einem Wandlerelement, das ausgebildet ist, Wasserschall zu empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal auszugeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals einen entsprechenden Wasserschall auszusenden. Das Wandlerelement weist eine Elektrode auf, die eine elektrische Kontaktierung des Wandlerelements ermöglicht. Eine Platine ist mit der Elektrode verbunden, wobei ein Lot die elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Platine und der Elektrode herstellt. Vorteilhafterweise ist die mechanische Verbindung derart ausgebildet, dass die Platine und die Elektrode hermetisch dicht miteinander verbunden sind. Das heißt, ein Bereich innerhalb der mechanischen Verbindung ist hermetisch gegen die Außenwelt verschlossen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Wasserschallwandler in einer ölgefüllten Umgebung eingesetzt wird. So kann beispielsweise ein Array aus den Wasserschallwandlern mit einem eigenen Arraygehäuse aufgebaut werden, das mit Öl gefüllt ist. Auf der Platine kann z.B. eine Elektronikschaltung angeordnet sein. Die Elektronikschaltung kann das Wasserschallsignal verarbeiten, d.h. das Wasserschallsignal von dem Wasserschallwandler abgreifen bzw. das Wasserschallsignal an den Wasserschallwandler anlegen.
Das Lot ist ein Mittel, das durch Löten eine elektrisch leitende, typischerweise metallische, Verbindung zwischen der Elektrode und der Platine herstellt. Beim Löten wird das Lot so stark erhitzt, dass es schmilzt. Nach dem Abkühlen bildet das Lot eine mechanische und elektrische (und in Ausführungsbeispielen auch hermetisch dichte) Verbindung zwischen der Elektrode und der Platine.
Das Wandlerelement weist als sensorisches Material beispielsweise ein piezoelektrisches Material, insbesondere eine Piezokeramik auf. Das piezoelektrische Material kann als Vollkörper (z.B. Zylinder), als Hohlkörper (z.B. Hohlkugel oder Hohlzylinder) oder als Piezokomposit angeordnet sein. Ein Piezokomposit umfasst eine Vielzahl von Stäbchen des piezoelektrischen Materials, die gemeinsam ein Wandlerelement bilden. Typischerweise sind die Stäbchen mittels einer Vergussmasse vergossen.
Idee ist es, die Platine mit der Elektrode des Wandlerelements zu verlöten. Das direkte Löten der Platine auf das Wandlerelement hat gegenüber dem Anlöten eines Drahts den Vorteil, dass es einfacher zu automatisieren ist. So kann die Platine automatisiert, z.B. mittels Reflow-Löten, an das Wandlerelement angelötet werden.
Es kann sogar in dem gleichen Herstellungsschritt zumindest ein Teil der Elektronik der Platine an die Platine angelötet werden. Das Anlöten des Drahts an die Platine und das Wandlerelement ist nur schwer automatisierbar und wird daher typischerweise per Hand vollzogen. Ferner ist der Draht mechanisch nicht sehr stabil und kann brechen. Ähnlich verhält es sich mit dem direkten Löten der Platine auf das Wandlerelement gegenüber dem Kleben mittels eines Leitklebers. Das Kleben ist aufwendig in der Fertigung.
In Ausführungsbeispielen weist das Wandlerelement eine Hohlform auf, wobei die Hohlform mittels der Platine verschlossen ist. Ein solches Ausführungsbeispiel ist zwar auch mittels Klebens der Platine auf das Wandlerelement möglich. Der Leitkleber ist jedoch weniger druckstabil verglichen mit dem Lot und bildet insgesamt die schwächere Verbindung aus. So kann die Dichtigkeit und der elektrische Kontakt von der Platine zu dem Wandlerelement verloren gehen, wenn mechanische Spannung auf den Leitkleber durch Ausdehnen (durch Temperaturänderungen oder Quellen des Leitklebers) und/oder Druck zu groß werden.
Die Hohlform kann ein Hohlzylinder sein, der einseitig von der Platine verschlossen ist. Das Wandlerelement kann jedoch auch eine weitere Elektrode aufweisen, die eine weitere elektrische Kontaktierung des Wandlerelement ermöglich. So kann ein erster Pol des Wandlerelements mittels der Elektrode und ein zweiter Pol des Wandlerelements mittels der weiteren Elektrode kontaktiert werden. Ferner kann die Platine die weitere Elektrode kontaktieren oder es ist eine weitere (zweite) Platine, die die weitere Elektrode kontaktiert, vorgesehen. Ein weiteres Lot stellt eine elektrische und mechanische (und in Ausführungsbeispielen hermetisch dichte) Verbindung zwischen der entsprechenden Platine und der Elektrode her. Die zweite Platine (sofern vorgesehen) verschließt den Hohlzylinder dann beidseitig. D.h., die erste Platine verschließt eine erste Öffnung des Hohlzylinders und die zweite Platine verschließt eine zweite, der ersten Öffnung gegenüberliegende, Öffnung des Hohlzylinders. In anderen Worten ist die Platine und sofern vorgesehen die weitere Platine mit einer Stirnseite des Hohlzylinders mittels des Lots verbunden. Vorteilhafterweise ist das Lot (vollständig) umlaufend um den Hohlzylinder angeordnet, so dass das Lot eine in Sich geschlossene Bahn beschreibt. Die zweite Öffnung kann jedoch auch mittels eines beliebigen anderen Abschlusselements verschlossen sein.
Alternativ zu dem Hohlzylinder ist in Ausführungsbeispielen gezeigt, dass die Hohlform eine Kugelhalbschale ist, wobei die Platine an einer Stirnfläche der Kugelhalbschale angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Platine mittig zwischen zwei Kugelhalbschalen angeordnet, so dass die Platine beide Kugelhalbschalen zu einer Vollkugel verschließt. Abhängig von der Beschaltung der Kugelhalbschalen bilden die beiden Kugelhalbschalen ein verbundenes Wandlerelement aus zwei in Reihe geschalteten Wandlerelementen oder jeweils separate Wandlerelemente.
Solche Wasserschallwandler, die einen Hohlkörper aufweisen und mittels der Platine verschlossen sind, haben den Vorteil, dass sie im Inneren einen hermetisch abgeschlossenen Raum aufweisen. Dort kann Elektronik angeordnet sein, die vor Störeinflüssen durch elektrische Felder von außen geschützt ist. Durch die Verwendung der Platine zum Verschließen des Hohlkörpers ist es ferner nicht mehr notwendig, eine Bohrung in den Hohlkörper vorzusehen, durch den ein Draht zur Kontaktierung der innenliegenden Elektrode in den Hohlkörper geführt werden kann.
In Ausführungsbeispielen umfasst das Wandlerelement das sensorisches Material, das eine Curie-Temperatur von mehr als 300°C, insbesondere mehr als 340°C, aufweist. Es hat sich gezeigt, dass das sensorische Material hitzeempfindlich ist. Ist das sensorische Material über einen zu großen Zeitraum einer zu hohen Temperatur, d.h. einer Temperatur größer der halben Curie-Temperatur, ausgesetzt, verliert das sensorische Material seine notwendige Polarisation. Bei Temperaturen, deren Wert höher als der halben Curie Temperatur in Grad Celsius ist, ist die Dauer der zeitlichen Temperatureinwirkung zu begrenzen um Depolarisierungseffekte zu verhindern. Somit ist es möglich einen Lötprozess zu verwenden, bei dem die maximale Temperatur deutlich oberhalb der halben Curie-Temperatur liegt. Bei einem Reflow-Lötprozess wird ein zeitliches Temperaturprofil verwendet so dass die maximale Löttemperatur nur für einen Zeitraum von maximal 40s, beispielsweise ca. 30s, am Bauteil bzw. der Platine anliegt. Die gesamte Dauer des Lötprozesses beträgt mehrere Minuten. Je höher die Curie Temperatur des sensorischen Materials, desto größer ist die Auswahl bei den Loten. Ein mögliches sensorisches Material ist PZT5 (Blei-Zirkonat-Titanat 5). Dieses weist eine Curie Temperatur von 340 - 380°C auf so dass in der Leiterplattenfertigung gängige Lote (sowohl bleihaltig wie auch bleifrei) verwendet werden können. Ferner kann es vorteilhaft sein, ein Niedertemperaturlot zu verwenden, das eine Schmelztemperatur (bzw. Liquidustemperatur) von weniger als 180°C, insbesondere weniger als 165°C, aufweist. Bei Verwendung von Niedertemperaturloten können auch piezokeramische Werkstoffe mit Curie-Temperaturen < 300°C verwendet werden.
In Ausführungsbeispielen sind die Platine und die Elektrode mittels Reflow-Löten elektrisch und mechanisch (in Ausführungsbeispielen auch hermetisch dicht) verbunden. Dies ermöglicht die Automatisierung des Lötens in einem standardisierten Prozess.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind die Platine und die Elektrode mittels Laser- Reflow-Löten elektrisch und mechanisch (in Ausführungsbeispielen auch hermetisch dicht) verbunden. Laser-Reflow-Löten ist aufwendiger und teurer aber dennoch automatisierbar. Der Vorteil von Laser-Reflow-Löten ist es, dass durch den Laserstrahl eine punktuelle Hitzeentwicklung erzeugt wird. Der Laser kann so das Lot schmelzen, ohne das sensorische Material merklich zu erhitzen. Somit können mit Hilfe dieses Verfahrens sämtliche piezokeramische Werkstoffe, unabhängig von ihrer Curie-Temperatur, verwendet werden.
In Ausführungsbeispielen weist eine Kontaktfläche, beispielsweise eine Stirnseite, an der sich das Wandlerelement und die Platine berühren, die Abwesenheit der Elektrode auf. Dies hat insbesondere bei Hohlkörpern den Vorteil, dass eine auf die Kontaktfläche gezogene Außenelektrode nicht von der Innenelektrode (oder umgekehrt) isoliert werden braucht. Somit wird das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode verringert. Bei der Verwendung des Lots reicht es aus, dass die Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu der Platine angeordnet ist. Das Lot ist dann in dem resultierenden Winkel zwischen Elektrode und Platine angeordnet und verbindet beides miteinander.
Analog ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten gezeigt: Bereitstellen eines Wandlerelements, das ausgebildet ist, Wasserschall zu empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal auszugeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals ein entsprechendes Wasserschall auszusenden; Aufbringen eines Lots auf eine Platine und/oder eine Elektrode des Wandlerelements, so dass das Lot, wenn das Wandlerelement und die Platine zusammengeführt sind, die Platine und die Elektrode berührt; Erhitzen des Lots, so dass eine elektrische und mechanische (in Ausführungsbeispielen auch hermetisch dichte) Verbindung zwischen dem Wandlerelement und der Platine entsteht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Ansicht eines zylinderförmigen Wasserschallwandlers, wobei Fig. 1a eine schematische perspektivische Darstellung, Fig. 1b eine schematische Schnittdarstellung einer hohlzylinderförmigen Ausführung des Wasserschallwandlers und Fig. 1c eine schematische Schnittdarstellung einer vollzylinderförmigen Ausführung des Wasserschallwandlers zeigt; Fig. 2: eine schematische Ansicht eines kugelförmigen Wasserschallwandlers, wobei Fig. 2a eine schematische Seitenansicht und Fig. 1b eine schematische Schnittdarstellung zeigt; und
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines doppel-hohlzylinderförmigen Wasserschallwandlers, wobei Fig. 3a eine schematische perspektivische Darstellung und Fig. 3b eine schematische Schnittdarstellung zeigt.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1a zeigt schematisch einen zylinderförmigen Wasserschallwandler 20. Der Wasserschallwandler 20 weist ein Wandlerelement 22 auf. Das Wandlerelement 22 kann Wasserschall empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal ausgeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals Wasserschall aussenden. Das Wandlerelement 22 weist eine Elektrode (vgl. Bezugszeichen 24 in Fig. 1b und 1c) auf, die eine elektrische Kontaktierung des Wandlerelements 22 ermöglicht. Mit der Elektrode ist eine Platine 26 verbunden. Ein Lot 28 stellt eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Platine 26 und der Elektrode 24 her. Vorteilhafterweise ist das Lot vollständig umlaufend um das Wandlerelement bzw. die Platine angeordnet, so dass das Lot eine in sich geschlossene (Kreis-) Bahn bildet. Dann bildet das Lot auch eine hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Wandlerelement und der Platine. Zum Reflow-Löten ist das Lot typischerweise eine Lotpaste.
Diese perspektivische Ansicht lässt sowohl vollzylinderförmige als auch hohlzylinderförmige Wandlerelemente 22 zu. Bei Verwendung eines hohlzylinderförmigen Wandlerelements 22 kann ein (beliebiges) Abschlusselement 32 den Hohlraum des Hohlzylinders (hermetisch) verschließen (vgl. Fig. 1b). Es ist aber auch möglich, eine weitere Platine 26' zu verwenden, die ebenso wie die Platine 26, das Wandlerelement kontaktiert. Die Ausführungen bezüglich der Kontaktierung der Platine 26 mit dem Lot können auch auf die Platine 26' übertragen werden. Die gezeigte perspektivische Darstellung schließt sowohl hohlzylinderförmige Wandlerelemente als für vollzylinderförmige Wandlerelemente ein.
Fig. 1b zeigt ein hohlzylinderförmiges Wandlerelement 22. Die Elektrode 24 ist an der Mantelfläche, insbesondere an der inneren und der äußeren Mantelfläche, des Wandlerelements 22 angeordnet. Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, anders als bei Verwendung eines Leitklebers, dass die Elektrode auf die Stirnseite des Wandlerelements 22 gezogen ist. Das Lot 28 ist dann nicht flächig zwischen der Platine 26 und der Elektrode 24 angeordnet, sondern es ist ausreichend, dass das Lot vielmehr einen Winkel ausfüllt, der von der Elektrode 24 und der Platine 26 eingeschlossen ist. Zur vollständigen Kontaktierung des Wandlerelements 22 mit der Platine kann ein weiteres Lot 28a in dem Hohlraum des Hohlzylinders 22 angeordnet sein, und eine weitere Elektrode 24a, die auf der gegenüberliegenden (hier inneren) Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet ist, kontaktieren. Hier ist beispielhaft das Abschlusselement 32 gezeigt, um den Hohlraum des Hohlzylinders (hermetisch) zu verschließen. Eine in dem Hohlraum angeordnete Elektronik 30 ist dann gegenüber äußeren Störeinflüssen z.B. durch elektrische Felder geschützt. Das Abschlusselement kann auch eine Platine sein. Beispielsweise kann das weitere Lot 28a dann an einem gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders angeordnet sein. D.h., das Lot 28a kann dann die weitere Elektrode 24a mit der weiteren Platine 26' verbinden. Die Ausführungen zum Lot 28 sind auch auf das Lot 28a übertragbar.
Fig. 1c zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vollzylinderförmigen Wandlerelements 22 ohne Hohlraum. Hier sind die Elektroden 24, 24a an der Stirnseite und an der gegenüberliegenden (zweiten) Stirnseite des Wandlerelements 22 angeordnet. Das heißt, die Elektrode ist parallel zu der Platine angeordnet. Das weitere Lot 28a verbindet die weitere Platine 26' mit der weiteren Elektrode 24' des Wandlerelements 22. Die Lote 28, 28a sind dann zwischen Wandlerelement bzw. Elektrode und der entsprechenden Platine angeordnet. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hohlkugelförmigen Wasserschallwandlers 20. Fig. 2a zeigt den Wasserschallwandler in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 2b in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Wasserschallwandler 20 weist zwei Wandlerelemente 22, 22' auf, die jeweils als Kugelhalbschale geformt sind. Die Platine 26 ist zwischen den Kugelhalbschalen angeordnet und verbindet diese zu einer Hohlkugel. Die Platine kann flächig ausgestaltet sein. In Fig. 2b ist sie jedoch mit einer Öffnung im Inneren der Hohlkugel dargestellt. Dies ist vorteilhaft, um die akustischen Eigenschaften des Wasserschallwandlers 20 nicht negativ zu beeinflussen. Die Platine ist vorteilhafterweise zumindest eine zweiseitige Platine.
Die Unterbringung der Elektronikschaltung 30 auf der Platine 26 ist optional möglich. Die Elektronikschaltung 30 ist dann vorteilhafterweise derart auf der Platine 26 angeordnet, dass die Elektronikschaltung in dem Hohlraum im Inneren des Wandlerelements 22 angeordnet ist. Die Elektronikschaltung 30 kann aber gleichermaßen auch außerhalb des Wandlerelements 22 angeordnet sein. Das Wandlerelement 22, d.h. die erste Halbschale, weist eine Elektrode 24 und eine weitere Elektrode 24a auf. Die erste Elektrode 24 ist mittels des Lots 28 mit der Platine 26 verbunden. Die zweite Elektrode 24a ist mittels des Lots 28a mit der Platine 26 verbunden. Das Wandlerelement 22‘, d.h. die zweite Halbschale, weist eine Elektrode 24' und eine weitere Elektrode 24‘a auf. Die erste Elektrode 24' ist mittels des Lots 28' mit der Platine 26 verbunden. Die zweite Elektrode 24‘a ist mittels des Lots 28‘a mit der Platine 26 verbunden. Vorteilhafterweise ist die erste Halbschale mit einer ersten Seite der Platine 26 verbunden und die zweite Halbschale mit einer zweiten Seite der Platine 26.
Die weiteren Ausführungen bezüglich der Elektrode, der Platine und der Wandlerelemente, beispielsweise deren räumliche Anordnung zueinander, ist aus dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 auf die Ausführungsbeispiele aus Fig. 2 und Fig. 3 übertragbar.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit doppelten zylinderförmigen Wandlerelementen 22, 22‘. Wie bereits in Fig. 2 bezüglich der Kugelhalbschalen gezeigt, sind hier zwei Hohlzylinder als separate Wandlerelemente 22, 22' mittels der Platine 26 verbunden. Die Hohlzylinder weisen jeweils ein Abschlusselement 32, 32' auf. Die weiteren strukturellen Merkmale sind anhand der Bezugszeichen aus Ausführungsbeispielen zu den Fig. 1 und Fig. 2 zu entnehmen.
In Fig. 3b ist jedoch ergänzend Elektronikschaltung 30 gezeigt, die auf der Platine angeordnet ist. Die Elektronikschaltung 30 kann die an den Elektroden 24, 24a, 24‘, 24‘a abgegriffenen Wasserschallsignale verarbeiten oder ein Wasserschallsignal bereitstellen, das an die Elektroden angelegt wird. Sowohl bei dem Wasserschallwandler gemäß Fig. 2 als auch bei dem Wasserschallwandler gemäß Fig. 3 können jedoch auch die jeweiligen äußeren Elektroden 24, 24' elektrisch verbunden sein. Mit einer entgegengesetzten Polarisation der Wandlerelemente 22, 22' ergibt sich so eine Reihenschaltung der Wandlerelemente, so dass ein Wasserschallsignal, beispielsweise als Spannung, an den inneren Elektroden 24a, 24’a abgegriffen bzw. bereitgestellt werden kann.
Die beschriebenen Wasserschallwandler können alle radialsymmetrisch geformt sein. Dies trifft jedoch nicht auf eine etwaige Elektronik zu. Ferner kann eine Form der Platine statt rund auch eckig sein, so dass auch diese nicht zwingend radialsymmetrisch ist.
Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallwandler und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler typischerweise ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Bezugszeichenliste:
20 Wasserschallwandler 22 Wandlerelement 24 Elektrode
26 Platine 28 Lot 30 Elektronik

Claims

Patentansprüche
1. Wasserschallwandler (20) mit folgenden Merkmalen: einem Wandlerelement (22), das ausgebildet ist, Wasserschall zu empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal auszugeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals Wasserschall auszusenden, wobei das Wandlerelement (22) eine Elektrode (24) aufweist, die eine elektrische Kontaktierung des Wandlerelements ermöglicht; einer Platine (26), die mit der Elektrode (24) verbunden ist, wobei ein Lot (28) die elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Platine (26) und der Elektrode (24) herstellt.
2. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die Platine (26) eine Elektronikschaltung (30) aufweist, die ausgebildet ist, das Wasserschallsignal zu verarbeiten.
3. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wandlerelement (22) eine Hohlform aufweist, wobei die Hohlform mittels der Platine (26) verschlossen ist.
4. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 3, wobei die Hohlform ein Hohlzylinder ist und wobei der Hohlzylinder einseitig von der Platine (26) verschlossen ist.
5. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 4 mit folgenden Merkmalen: einerweiteren Elektrode (24‘), die eine weitere elektrische Kontaktierung des Wandlerelements ermöglicht; wobei ein weiteres Lot (28) eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Platine (26) und der weiteren Elektrode (24‘) herstellt, wobei die zweite Platine (26‘) den Hohlzylinder beidseitig verschließt.
6. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hohlform eine Kugelhalbschale ist, wobei die Platine (26) an einer Stirnfläche der Kugelhalbschale angeordnet ist insbesondere wobei die Platine (26) mittig zwischen zwei Kugelhalbschalen angeordnet ist und beide Kugelhalbschalen zu einer Vollkugel verschließt.
7. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wandlerelement (22) ein sensorisches Material aufweist, das eine Curie- Temperatur von mehr als 300°C, insbesondere mehr als 340°C aufweist, insbesondere wobei das Wandlerelement als sensorisches Material eine Piezokeramik aufweist.
8. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Platine (26) und die Elektrode (24) mittels Reflow-Löten elektrisch und mechanisch verbunden sind.
9. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Platine (26) und die Elektrode (24) mittels Laser-Reflow-Löten elektrisch und mechanisch verbunden sind.
10. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lot (28) ein Niedertemperaturlot ist, das eine Schmelztemperatur von weniger als 180°C, insbesondere weniger als 165°C, aufweist.
11. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Kontaktfläche, an der sich das Wandlerelement und die Platine (26) berühren, die Abwesenheit der Elektrode (24) aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Wandlerelements, das ausgebildet ist, Wasserschall zu empfangen und ein dem Wasserschall entsprechendes Wasserschallsignal auszugeben und/oder entsprechend eines Wasserschallsignals Wasserschall auszusenden;
Aufbringen eines Lots auf eine Platine (26) und/oder eine Elektrode (24) des Wandlerelements, so dass das Lot, wenn das Wandlerelement (22) und die Platine (26) zusammengeführt sind, die Platine (26) und die Elektrode (24) berührt;
Erhitzen des Lots, so dass eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement (22) und der Platine (26) entsteht.
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