DE102015224772A1

DE102015224772A1 - Schallwandleranordnung mit konzentrischen Stegen und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung mit konzentrischen Stegen

Info

Publication number: DE102015224772A1
Application number: DE102015224772.4A
Authority: DE
Inventors: Andre Gerlach; Bernd Scheufele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2017097473A1; EP3386647A1; CN108367314A

Abstract

Schallwandleranordnung (100) umfassend einen Lochplattenträger (101) mit mehreren Durchgangsöffnungen (111), mehrere Piezoelemente (104), wobei jedes Piezoelement (104) eine erste Elektrode (105) und eine zweite Elektrode (106) aufweist, die erste Elektrode (105) der zweiten Elektrode (106) gegenüberliegt und jeweils ein Piezoelement (104) innerhalb einer Durchgangsöffnung (111) angeordnet ist und eine Abschlussschicht (103), wobei die Abschlussschicht (103) oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Piezoelemente (104) angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden (106) der Piezoelemente (104) mit der Abschlussschicht (103) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochplattenträger (101) lateral zwischen zwei Durchgangsöffnungen (111) mindestens zwei konzentrische Stege (102) aufweist, die mit einem der beiden Durchgangsöffnungen (111) einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, und die Abschlussschicht (103) jeweils mit dem Steg (102), der unmittelbar an die jeweilige Durchgangsöffnung (111) angrenzt, einen ersten Verbindungsbereich (108) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schallwandleranordnung.
Das Dokument DE 39 20 872 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschall-Schichtwandlern, bei denen die Piezokeramik und thermoplastisches Kunststoffmaterial des Schichtwandlers durch Heißverkleben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung der für das Verkleben notwendigen Wärme wird in der Piezokeramik Verlustwärme durch Anlegen elektrischer Signale produziert.
In der Schrift DE 10 2004 047 814 A1 wird ein fokussierendes mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray beschrieben, das als fokussierende klinisch verwendbare Ultraschallsonde verwendet werden kann. Lateral nebeneinander ausgebildete Wandlerzellen werden bereichsweise elektrisch miteinander verdrahtet, um die angestrebte Fokussierung der Ultraschallwandlung zu erreichen.
Nachteilig ist hierbei, dass die einzelnen Ultraschallwandler äußeren Einflüssen, sowohl mechanischer als auch elektrischer Art, ausgesetzt sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Schallwandleranordnung umfasst einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen, mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht Jedes Piezoelement weist dabei eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die erste Elektrode liegt der zweiten Elektrode gegenüber. Innerhalb einer Durchgangsöffnung ist jeweils ein Piezoelement angeordnet. Die Abschlussschicht ist oberhalb des Lochplattenträgers und der Piezoelemente angeordnet, wobei die zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß weist der Lochplattenträger lateral zwischen zwei Durchgangsöffnungen mindestens zwei konzentrische Stege auf, die mit einem der beiden Durchgangsöffnungen einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Die Abschlussschicht weist jeweils mit dem Steg, der unmittelbar an die jeweilige Durchgangsöffnung angrenzt, einen ersten Verbindungsbereich auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Entkopplung der einzelnen Biegewandlerelemente auf einfache Weise bereitgestellt wird.
In einer Weiterbildung weist die Abschlussschicht jeweils mit dem Steg, der auf den unmittelbar an die Durchgangsöffnung angrenzenden Steg folgt, einen zweiten Verbindungsbereich auf.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Entkopplung zwischen den einzelnen Biegewandlerelementen noch effizienter erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der erste Verbindungsbereich eine Schweißnaht oder eine Klebeschicht
In einer Weiterbildung umfasst der zweite Verbindungsbereich eine Schweißnaht oder Klebeschicht
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Abschlussschicht einstückig ausgestaltet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Verbund von Biegewandlerelementen komplett vor äußeren Einflüssen geschützt wird.
In einer Weiterbildung weisen die Abschlussschicht und der Lochplattenträger einen dritten Verbindungsbereich auf. Der dritte Verbindungsbereich verbindet einen Randbereich der Abschlussschicht mit einem Randbereich des Lochplattenträgers.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der dritte Verbindungsbereich als Dichtung der gesamten Schallwandleranordnung gegenüber z. B. Feuchtigkeit und Flüssigkeiten fungiert.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die dritte Verbindungsschicht eine Schweißnaht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung, die einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen und mehreren konzentrischen Stegen, mehreren Piezoelemente und einer Abschlussschicht aufweist, umfasst das Verbinden von zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht Des Weiteren umfasst das Verfahren das Kontaktieren von ersten Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden, wobei die ersten Elektroden den zweiten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind und das Verbinden der Abschlussschicht und des Lochplattenträgers mittels einer Schweißnaht, wobei die Schweißnaht auf den Stegen angeordnet sind, die unmittelbar an die Durchgangsöffnungen angrenzen. Außerdem umfasst das Verfahren das teilweise Verfüllen der Durchgangsöffnungen mit einem DämpfungsmateriaL
Der Vorteil ist hierbei, dass die Schallwandleranordnung kostenoptimiert und auf einfache Weise hergestellt werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1a eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung,
1b eine Draufsicht auf die erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung,
2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung,
3 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung.
1 zeigt eine Schnittdarstellung in der xz-Ebene einer ersten Ausgestaltung der Schallwandleranordnung 100. Die Schallwandleranordnung 100 zeigt beispielhaft drei Schallwandlerelemente bzw. Biegewandlerelemente 115, die parallel zueinander beabstandet angeordnet sind. Ein Biegewandlerelement 115 umfasst dabei ein Piezoelement 104, eine Membran 114 die mit Hilfe einer Abschlussschicht 103 gebildet wird, einen Lochplattenträger 101 und Dämpfungsmaterial. Der Lochplattenträger 101 umfasst mehrere Duchgangsöffnungen 111 bzw. Löcher und weist eine Oberseite und eine Unterseite auf, die gegenüberliegend angeordnet sind. Auf der Oberseite sind Stege 102 angeordnet, die konzentrisch um die Durchgangsöffnungen 111 angeordnet sind. Die Stege 102 grenzen dabei unmittelbar an die Durchgangsöffnungen 111 an. Die Piezoelemente 104 sind ebenfalls konzentrisch zu den Durchgangsöffnungen 111 angeordnet, wobei jede Durchgangsöffnung 111 jeweils ein Piezoelement 104 aufnimmt, das von der Oberseite in die Durchgangsöffnung 111 eingebracht ist bzw. mit der Oberseite bündig abschließt. Die Piezoelemente 104 weisen einen kleineren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnungen 111. Mit anderen Worten das Piezoelement 104 befindet sich innerhalb der Durchgangsöffnung 111 bzw. des Lochs. Jedes Piezoelement 104 weist eine erste Elektrode 105 und eine zweite Elektrode 106 auf. Die erste Elektrode 105 ist mittels einer Drahtverbindung beispielsweise mit einer Verstärkerschaltung verbunden und fungiert als Signalleitung bzw. Signalkontakt. Die zweite Elektrode 106 ist mittels einer Klebeschicht 107 mit der Abschlussschicht 103 elektrisch leitend verbunden. Die Abschlussschicht 103 ist mit einer elektrischen Masse, beispielsweise der Verstärkerschaltungmasse, verbunden. Das bedeutet die zweite Elektrode 105 ist geerdet, wodurch eine EMV-Schirmung erfolgt.
Alternativ können die Piezoelemente 104 über zwei Drahtverbindungen mit der elektrischen Masse und der Verstärkerschaltung elektrisch leitend verbunden werden. Dazu wird die zweite Elektrode 106 über den Rand des Piezoelements 104 umkontaktiert, sodass sich auf der Seite der ersten Elektrode 105 zwei voneinander getrennte Elektrodenbereiche befinden, die getrennt voneinander kontaktierbar sind. Die Piezoelemente 104 können hierbei mit einer elektrisch nicht leitfähigen Klebeschicht mit der Abschlussschicht 103 verbunden werden.
Jedes Biegewandlerelement 115 weist einen ersten Verbindungsbereich 108 auf, der die Randeinspannung des Biegewandlerelements 115 bzw. der Membran 114 einstellt bzw. sicherstellt. Unter dem Begriff erster Verbindungsbereich 108 werden dabei die Bereiche verstanden in denen eine mechanische Verbindung zwischen der Abschlussschicht 103 und dem Steg 102 des Lochplattenträgers 101 erfolgt, der unmittelbar an die Durchgangsöffnung 111 angrenzt. Die ersten Verbindungsbereiche 108 sind konzentrisch um die Durchgangsöffnungen 111 angeordnet und weisen einen größeren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnungen 111.
In einem lateralen Abstand zu den Stegen 102 sind lateral beabstandet weitere Stege 117 angeordnet, d. h. mindestens ein weiterer Steg 117. Die Stege 102 und die weiteren Stege 117 sind hierbei lateral beabstandet und durch eine Aussparungen 116 in der Oberseite des Lochplattenträgers 101 voneinander getrennt. Die Aussparungen 116 weisen einen Abstand von 0,1 mm–1 mm zu den Schweißnähten der ersten Verbindungsbereiche 108 auf. Der laterale Abstand zwischen den Stegen 102 und den weiteren Stegen 117 beträgt 0,1–2 mm. Die Tiefe der Aussparungen 116 umfasst mindestens 0,1 mm. Durch die Aussparungen 116 werden lokal schwingungsfähige Bereiche der Abschlussschicht 103 erzeugt, sodass die Membranen 114 Schwingungsenergie aufnehmen und dissipieren können.
Um die ersten Verbindungsbereiche 108 sind zweite Verbindungsbereiche 109 konzentrisch angeordnet. Dabei weisen die zweiten Verbindungsbereiche 109 einen lateralen Abstand zu den ersten Verbindungsbereichen 108 auf. Diese zweiten Verbindungsbereiche 109 sind auf den weiteren Stegen 117 angeordnet und umfassen ebenfalls Schweißnähte. Optional können um die zweiten Verbindungsbereiche 109 weitere konzentrisch angeordnete Verbindungsbereiche vorhanden sein, die ebenfalls Schweißnähte aufweisen. Die Anzahl der konzentrischen Verbindungsbereiche entspricht dabei der konzentrischen Stege 102 und 117 um eine Durchgangsöffnung 111. Mit anderen Worten es sind um die Durchgangsöffnungen 111 abwechselnd mehrere Stege 117 und mehrere Aussparungen 116 lateral nebeneinander angeordnet, wobei unmittelbar an die Durchgangsöffnungen 111 jeweils ein kreisrunder Steg 102 angeordnet ist. Dies dient zu einer verbesserten Entkopplung zwischen zwei Schallwandlerelementen.
Optional können die Aussparungen 116 beispielsweise mit einem silikonhaltigen Dämpfungsmaterial verfüllt sein.
Im Randbereich der Abschlusschicht 103 und im Randbereich des Lochplattenträgers 101 ist ein dritter Verbindungsbereich 110 vorgesehen. Unter dem Begriff Randbereich wird hierbei ein Bereich mit einem lateraler Abstand zur Abschlussschichtaußenkante von 0,1 mm–1 mm verstanden.
Die Piezoelemente 104 weisen eine Dicke von 100 µm–750 µm auf, von 150 µm–500 µm. Der Lochplattenträger 101 weist eine Dicke von 0,5 mm–15 mm auf, vorzugsweise von 1 mm–10 mm.
Die Abschlussschicht 103 weist eine Dicke von 50 µm–750 µm auf. Die Abschlussschicht 103 ist überlackierbar und schützt die Schallwandleranordnung 100 vor Feuchtigkeit, Flüssigkeiten und mechanischen Einwirkungen. Optional kann auf der Abschlussschicht 103 eine Kunststofffolie angeordnet sein. Die Kunststofffolie ist vorzugsweise mit einem Epoxidharzkleber auf die Abschlussschicht 103 aufgeklebt. Der Epoxidharzkleber fungiert dabei zusätzlich als Toleranzausgleich für die Realisierung besonders ebener Oberflächen. Dazu kann der Epoxidharzkleber aufgerakelt werden. Die Kunststofffolie weist beispielsweise Polyimid oder einen Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff oder Kohlefasergewebe und Harz auf.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Abschlussschicht 103 Metall, z. B. Edelstahl, Stahl oder eine Aluminiumlegierung. Das bedeutet die Abschlussschicht 103 ist vollständig elektrisch leitfähig.
In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Abschlussschicht 103 Kunststoff auf, z. B. PES, PVDF, Glasfaserverbundwerkstoffe oder Kohlefaserverbundwerkstoffe, wobei die Seite der Abschlussschicht 103, die mit dem Lochplattenträger 101 verbunden wird, eine Metallschicht aufweist.
Das Dämpfungsmaterial ist vorzugsweise silikonhaltig.
Die Grundform der Piezoelemente 104, der Biegewandlerelemente 115 und der Durchgangsöffnungen 111 sind beliebig. Bevorzugt weisen sie regelmäßige Formen auf, z. B. quadratisch, rechteckig, vieleckig, kreisrund oder elliptisch. ln einer Schallwandleranordnung 100 können die Grundformen der Piezoelemente 104, Biegewandlerelemente 115 und Durchgangsöffnungen 111 gleichartig oder verschieden sein.
Die Schallwandleranordnungen 100 können eine Anzahl von 2–250 Schallwandlerelementen aufweisen, bevorzugt 5–50.
1b zeigt eine Draufsicht auf die erste Ausführung der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung 100. Es sind beispielhaft drei Biegewandlerelemente 115 gezeigt, die parallel bzw. in einer Linie zueinander angeordnet sind. ln der Draufsicht ist die rechteckige Abschlussschicht 103 gezeigt, die die drei Piezoelemente 104 überdeckt. Des Weiteren sind der erste Verbindungsbereich 108, der die Randspannung des jeweiligen Biegewandlers einstellt, der zweite Verbindungsbereich 109, der als Entkopplung zwischen den Biegewandlern fungiert und der dritte Verbindungsbereich 110, der beispielsweise rechteckförmig ausgestaltet ist und als Dichtung der Schallwandleranordnung fungiert, dargestellt.
2 zeigt eine Schnittdarstellung in der xz-Ebene einer zweiten Ausgestaltung der Schallwandleranordnung 200. Merkmale der 2, die die gleichen Merkmale wie in 1 darstellen, weisen identische hintere Stellen der Bezugszeichen wie 1 auf. ln 2 weisen die ersten Verbindungsbereiche 208, die zweiten Verbindungsbereiche 209 und die dritten Verbindungsbereiche 210 Klebeverbindungen anstelle von Schweißnähten auf.
3 zeigt das Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung, die einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen und mehreren konzentrischen Stegen, mehreren Piezoelementen und einer Abschlussschicht aufweist. Das Verfahren 300 startet mit einem Schritt 310, in dem zweite Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht verbunden werden. ln einem folgenden Schritt 320 werden erste Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden elektrisch verbunden bzw. kontaktiert. Dabei liegt die erste Elektrode der zweiten Elektrode gegenüber. ln einem folgenden Schritt 330 werden die Abschlussschicht und die Stege, die unmittelbar an die Durchgangsöffnungen angrenzen, mittels ersten Verbindungsbereichen verbunden, beispielsweise mit Schweißnähten. ln einem folgenden Schritt 340 werden die Durchgangsöffnungen mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt, insbesondere von der Seite, die von der Abschlussschicht abgewandt angeordnet ist, d. h. der Rückseite des Lochplattenträgers.
Die Schallwandleranordnungen 100 und 200 findeen in Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen, wie Robotern, fahrerlose Transportsysteme, Logistiksystemen in Lagern, Staubsaugern, Rasenmähern Anwendung. Des Weiteren kann die Schallwandleranordnung 100 und 200 in E-Bikes, elektrischen Rollstühlen und in Hilfsmitteln zur Unterstützung körperlich eingeschränker Personen eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3920872 A1 [0002]
DE 102004047814 A1 [0003]

Claims

Schallwandleranordnung (100) umfassend • einen Lochplattenträger (101) mit mehreren Durchgangsöffnungen (111), • mehrere Piezoelemente (104), wobei jedes Piezoelement (104) eine erste Elektrode (105) und eine zweite Elektrode (106) aufweist, die erste Elektrode (105) der zweiten Elektrode (106) gegenüberliegt und jeweils ein Piezoelement (104) innerhalb einer Durchgangsöffnung (111) angeordnet ist und • eine Abschlussschicht (103), wobei die Abschlussschicht (103) oberhalb des Lochplattenträgers (101) und der Piezoelemente (104) angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden (106) der Piezoelemente (104) mit der Abschlussschicht (103) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochplattenträger (101) lateral zwischen zwei Durchgangsöffnungen (111) mindestens zwei konzentrische Stege (102) aufweist, die mit einem der beiden Durchgangsöffnungen (111) einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, und die Abschlussschicht (103) jeweils mit dem Steg (102), der unmittelbar an die jeweilige Durchgangsöffnung (111) angrenzt, einen ersten Verbindungsbereich (108) aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) jeweils mit dem Steg (117), der auf den unmittelbar an die Durchgangsöffnung (111) angrenzenden Steg (102) folgt, einen zweiten Verbindungsbereich (109) aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungsbereich (108) eine Schweißnaht oder eine Klebeschicht umfasst.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungsbereich (109) eine Schweißnaht oder Klebeschicht umfasst.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) einstückig ausgebildet ist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (103) und der Lochplattenträger (101) einen dritten Verbindungsbereich (110) aufweisen, der einen Randbereich der Abschlussschicht (103) mit einem Randbereich des Lochplattenträgers (101) mechanisch verbindet.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verbindungsbereich (110) eine Schweißnaht umfasst.
Verfahren (300) zur Herstellung einer Schallwandleranordnung umfassend einen Lochplattenträger mit mehreren Durchgangsöffnungen und mehreren konzentrischen Stegen, mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht mit den Schritten: • Verbinden (310) von zweiten Elektroden der Piezoelemente mit der Abschlussschicht, • Kontaktieren (320) von ersten Elektroden der Piezoelemente mittels Drahtbonden, wobei die ersten Elektroden den zweiten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind, • Verbinden (330) der Abschlussschicht und der Stege des Lochplattenträgers, die unmittelbar an die Durchgangsöffnungen angrenzen, mittels einer Schweißnaht und • Teilweises Verfüllen (340) der Durchgangsöffnungen mit einem Dämpfungsmaterial.