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Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Überwachung einer Struktur, bei dem ein piezoelektrischer Wandler eingesetzt wird.
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Die Verwendung von Ultraschallwellen ist eine gängige Technik zur Überprüfung und Überwachung des Zustands einer Struktur. Beispielhafte Bereiche, in denen dies eingesetzt wird, um Risse und Defekte in der Struktur zu erkennen sowie um mechanische Eigenschaften und geometrische Veränderungen zu messen, sind die Luftfahrtindustrie, der Brückenbau, die Automobilindustrie und die Ölindustrie.
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Zur Anregung von Ultraschallwellen werden elektromagnetische oder piezoelektrische Wandler verwendet, wobei letztere am weitesten verbreitet sind. Vereinfachend kann man die piezoelektrischen Typen in zwei Hauptkategorien unterteilen, welche auf den Wellen basieren, die sie anregen:
- - Anregung reiner Longitudinal- oder Scherwellen, die üblicherweise zum Aufspüren von Rissen und Inhomogenität etc. von Grundmaterialien/Substraten verwendet werden;
- - Anregung von Lamb-Wellen, welche zur Prüfung von platten Strukturen verwendet werden.
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Piezoelektrische Wandler sowie zu Grunde liegende piezoelektrische Aktuatoren sind beispielsweise in den Dokumenten
WO 2013/011036 A1 ,
WO 2008/147891 A1 und
EP 2 267 807 A2 beschrieben.
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Das Dokument
DE 10 2006 040 316 A1 beschreibt eine Multilayerplatte, die aus einem monolithischen Keramikkörper, bei dem positive und negative Elektroden mit Keramikplatten zu einem monolithischen Keramikkörper gesintert sind, hergestellt ist. Der Flächenaktuator nutzt den d33-Effekt aus, und kann hohe Dehnungen bei geringen Betriebsspannungen erzeugen.
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Das Dokument
DE 10 2019 206 997 A1 beschreibt Ultraschallwandler, bei denen an den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der piezoelektrischen keramischen plattenförmigen Elemente jeweils eine Elektrode vorhanden ist. Die zwei UltraschallWandler, die ein Paar bilden, können in ein elastisch verformbares Material einlaminiert werden.
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Das Dokument
DE 100 51 784 C1 beschreibt ein Funktionsmodul, bei welchem eine Piezokeramik in eine Hülle aus oberer und unterer Trägerfolie eingeklebt ist. Auf der Innenseite der Trägerfolie sind Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der Piezokeramik aufgeklebt. Die Trägerfolien haben jeweils eine Anschlussfahne zum Anschluss externer elektrischer Schaltungen, die aus der Faserverbundstruktur herausgeführt wird.
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Das Dokument
US 2015 / 0 163 598 A1 beschreibt ein piezoelektrisches Vibrationsmodul mit einem piezoelektrischen Element, einer flexiblen Verdrahtungsplatte (FPC) als Verdrahtungselement, das mit einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements verbunden ist, einer elastischen Platte, die mit der anderen Oberfläche des piezoelektrischen Elements durch einen Klebstoff verbunden ist, und einem Gehäuseteil das das piezoelektrische Element zusammen mit der elastischen Platte bedeckt.
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Das Dokument
WO 2017/ 223 219 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Batteriezustands, umfassend: Bereitstellen einer Batteriezelle, Erzeugen einer geführten Welle, die sich in der Ebene der Batteriezelle ausbreitet, Empfangen einer ankommenden Welle, die der geführten Welle entspricht, und Bestimmen eines Zustands der Batteriezelle basierend auf der ankommenden Welle.
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Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich auf Anwendungen zur Untersuchung des Zustands und/oder der Qualität platter Strukturen, in welchen Lamb-Wellen angeregt werden (z.B. zur Anwendung in Li-Ionen Antriebsbatterien für Automobile (isotrope oder mehrschichtige Strukturen)).
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es einen piezoelektrischen Wandler zu beschreiben, welcher die im Stand der Technik vorherrschenden Probleme löst.
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Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Wandler gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Gemäß einem Aspekt wird ein piezoelektrischer Wandler beschrieben. Der piezoelektrische Wandler ist zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur ausgebildet. Der piezoelektrische Wandler ist zur Überwachung eines Zustands der Struktur bzw. deren Materialien ausgebildet. Dadurch kann in weiterer Folge auf eine Temperaturänderung in der Struktur geschlossen werden. Dabei kann keine direkte Messung der Temperatur durch den piezoelektrischen Wandler erfolgen. Vielmehr erfolgt in diesem Zusammenhang eine Messung von Materialeigenschaftsänderungen sowie Geometrieänderungen und daraus eine Bestimmung von Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen (indirekte Bestimmung von Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen). Wenn im Folgenden auf eine Temperaturmessung verwiesen wird, ist damit die indirekte Bestimmung der Temperatur gemeint.
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Der piezoelektrische Wandler (im Folgenden kann für „piezoelektrischer Wandler“ auch der Begriff „Wandler“ verwendet werden), weist einen piezoelektrischen Aktuator auf. Der piezoelektrische Aktuator ist ein Komposit-Aktuator. Ein Komposit-Aktuator weist eine Zusammensetzung aus einem piezoelektrisches Material (Piezokeramik) und einem Polymer auf.
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Der piezoelektrische Aktuator weist eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente auf. Die piezoelektrischen Elemente sind rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente streifenförmig ausgebildet. Bevorzugt sind die piezoelektrischen Elemente Piezostreifen. Die piezoelektrischen Elemente sind nebeneinander, insbesondere einander nachfolgend, entlang einer Längsachse des piezoelektrischen Wandlers bzw. des piezoelektrischen Aktuators angeordnet. Dabei verläuft eine Hauptausdehnungsrichtung (Länge) des jeweiligen piezoelektrischen Elements senkrecht zur Längsachse des Wandlers.
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Der Wandler weist ferner eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht weist eine Dicke zwischen 1 µm und 200 µm auf. Die Trägerschicht kann elektrisch leitend ausgebildet sein. Die Trägerschicht kann Stahl, Glas, ein hartes Polymer (z.B. Epoxid) oder ein weiches Polymer (z.B. Polyurethan) aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator ist an einer Oberseite der Trägerschicht angeordnet, vorzugsweise mit einem Klebstoff festgeklebt. Eine Dicke der Klebstoffschicht ist dabei so dünn wie möglich.
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Durch die Trägerschicht wird der piezoelektrische Aktuator geschützt und stabilisiert ohne dabei eine Dicke des Wandlers (d.h. eine Ausdehnung des Wandlers senkrecht zur Längsachse) übermäßig zu erhöhen. Ferner hat die Trägerschicht nur einen geringfügigen Einfluss auf die Schwingungseigenschaften des piezoelektrischen Aktuators. Damit kann ein besonders kompakter, robuster und zuverlässiger Wandler bereitgestellt werden, der selbst in kleine Strukturen, die aus verschiedenen Lagen bestehen, eingebettet werden.
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Der Wandler weist ferner ein Schutzelement auf. Der piezoelektrische Aktuator ist vollständig in dem Schutzelement eingebracht. Durch das Schutzelement wird der Wandler vor externen Einflüssen geschützt. Das Schutzelement ist dazu ausgebildet den Wandler zu versiegeln. Damit wird die Robustheit des Wandlers gesteigert.
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Der Wandler weist weiterhin wenigstens ein Kontaktelement zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers auf. Das Kontaktelement bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik, mit der der Wandler verbunden wird. Das Kontaktelement ist zumindest teilweise in das Schutzelement integriert. Dadurch ist der Wandler sehr kompakt, und - auf Grund der Integration des Kontaktelements in das Schutzelement - auch weniger anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Damit wird ein sehr flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt.
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Der Wandler ist sehr kompakt ausgebildet. Eine äußere Abmessung des Wandlers beträgt in etwa 25 mm x 10 mm. Das jeweilige piezoelektrische Element weist eine Breite w1, eine Länge 1 und eine Dicke t auf. Die Breite des jeweiligen piezoelektrischen Elements erstreckt sich entlang der Längsachse des Wandlers. Länge 1 und Dicke t erstrecken sich jeweils senkrecht zur Längsachse des Wandlers. Das jeweilige piezoelektrische Element ist so dimensioniert, dass w1 >> t und 1 >> w1. Bevorzugt ist 1 ≥ 3 · w1. Bevorzugt ist w1 ≥ 3 · t.
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Durch die spezielle Ausgestaltung können Vibrationen des jeweiligen piezoelektrischen Elements in unerwünschte Richtungen, und damit Störmoden, effektiv reduziert werden. Dadurch wird der größtmögliche Energietransfer vom piezoelektrischen Element in die zu untersuchende Struktur und die gewünschte Richtung ermöglicht.
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Ferner ist der Wandler so konzipiert, dass er - in Abhängigkeit von der Polarisation - in einem Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements betrieben wird. Die piezoelektrischen Elemente sind in Richtung der Dicke polarisiert.
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Eine Hauptverformungsrichtung des jeweiligen piezoelektrischen Elements erstreckt sich folglich entlang der Länge 1 des piezoelektrischen Elements und damit senkrecht zu einer Länge des Wandlers. Unter Länge des Wandlers wird dabei eine Ausdehnung des Wandlers entlang der Längsachse und insbesondere eine Hauptausdehnungsrichtung des Wandlers verstanden. Daraus wird ersichtlich, dass der Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements einem Breitenmodus des gesamten piezoelektrischen Wandlers entspricht. Zusätzlich kann das piezoelektrische Element auch noch im Dickenmodus angeregt werden.
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Durch seine spezielle Ausgestaltung erzielt der Wandler eine gerichtete Abstrahlung mechanischer Wellen für eine optimierte Zustandsüberwachung in einer Struktur unter Vermeidung unerwünschter Reflexionen von Hindernissen/Merkmalen in der Umgebung. Durch die spezifische Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators verfügt der Wandler ferner über optimierte piezoelektrische Eigenschaften für eine maximale Wellenanregung und -erfassung. Er hat weiterhin einen klaren Vibrationsmodus im Zielbereich, selbst wenn der piezoelektrische Aktuator ein kleines Längen/Breiten-Verhältnis aufweist. Dabei wird unabhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente und damit unabhängig von einer Länge L des piezoelektrischen Aktuators eine saubere Resonanz erzielt. Alles in allem wird ein hoch-effizienter, kompakter, robuster, langlebiger, und kostengünstiger Wandler bereitgestellt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die piezoelektrischen Elemente gleichzeitig angeregt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die piezoelektrischen Elemente auch einzeln angeregt werden. Insbesondere können die piezoelektrischen Elemente mit einer relativen Zeitverzögerung zueinander angeregt werden. Dadurch kann eine Führung und Fokussierung der angeregten Schwingungen erzielt werden, was den Wandler besonders effektiv macht. Für diese Konfiguration sollten die piezoelektrischen Elemente einzelne oder gruppierte Elektroden aufweisen.
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Je nach Ausführung der Kontaktierung können die piezoelektrischen Elemente einzeln angesteuert werden (z.B. Kontaktierung jedes piezoelektrischen Elements einzeln) oder alle zusammen (z.B. Kontaktierung über einen leitfähigen Kleber oder ein leitfähiges Element). Wenn alle piezoelektrischen Elemente gemeinsam angesteuert werden, teilen sie sich eine gemeinsame Elektrode. Werden die piezoelektrischen Elemente zeitverzögert oder unabhängig voneinander angesteuert, haben sie eine eigene Signalelektrode. Die Masseelektrode wird jedoch gemeinsam genutzt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Schutzelement ein Polymer auf. Der piezoelektrische Aktuator ist in dem Polymer eingebettet bzw. von dem Polymer umhüllt. Damit kann der Wandler auf effektive, einfache und kostengünstige Weise vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Die Energie wird von der Trägerschicht aus in die zu überwachende Struktur übertragen. Das Polymer hat dabei dämpfende Eigenschaften.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Schutzelement ein Gehäuse auf. Das Gehäuse umgibt den piezoelektrischen Aktuator. Das Gehäuse kann Metall oder Plastik aufweisen. Das Gehäuse schützt den piezoelektrischen Aktuator zuverlässig vor äußeren Krafteinwirkungen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Innenbereich des Gehäuses einen Freibereich (Hohlraum) zwischen einer Außenfläche des piezoelektrischen Aktuators und einer Innenfläche des Gehäuses auf. Der Bereich zwischen der Außenfläche des piezoelektrischen Aktuators und der Innenfläche des Gehäuses ist insbesondere frei von Material. Dadurch können Dämpfungseffekte vermieden werden.
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Alternativ dazu kann der Freibereich auch mit einem Schaum oder einem Polymer, beispielsweise Polyurethan, Silikon, oder Epoxid gefüllt sein. Dadurch wird die mechanische Festigkeit des Wandlers erhöht. Ferner erhöht die Füllung die Widerstandsfähigkeit des Wandlers gegenüber Feuchtigkeit und Staub.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht eine Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 der Länge 1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements, mit anderen Worten B = 1. Die Breite B definiert eine Anregungsfrequenz des piezoelektrischen Aktuators. Vorzugsweise ist 4 mm ≤ B ≤ 20 mm.
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Eine Dicke t des piezoelektrischen Aktuators entspricht der Dicke t des jeweiligen piezoelektrischen Elements. Vorzugsweise ist t < 2 mm. Weiterhin vorzugsweise beträgt ein Abstand A zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Elementen ≤ 1/10 der Länge 1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 (A ≤ 1/10). Damit wird ein sehr kompakter, flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt, der selbst sehr beengten Einbausituationen gerecht wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement flexibel ausgebildet. Das Kontaktelement weist eine flexible Elektronik (so genannter „flex-circuit“ oder Flexkabel bzw. Flex-Leiterplatte) oder ein UHF (Ultra High Frequency - Ultrahochfrequenz) Koaxialkabel auf. Alternativ dazu kann das Kontaktelement auch zwei Drähte aufweisen.
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Der piezoelektrische Aktuator weist wenigstens eine obere Elektrode (Signalelektrode) und wenigstens eine untere Elektrode (Masseelektrode) auf. Der Aktuator kann auch eine Vielzahl von oberen Elektroden aufweisen. In diesem Fall weist jedes piezoelektrische Element des Aktuators eine obere Elektrode auf.
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Das Kontaktelement ist mit der oberen Elektrode elektrisch leitend verbunden. Das Kontaktelement ist nicht-lösbar mit dem Wandler verbunden. Das Kontaktelement ist lösbar mit einer externen Elektronik verbunden zum elektrischen Anschluss des Wandlers.
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Wenn alle piezoelektrischen Elemente gemeinsam angesteuert werden, teilen sie sich eine gemeinsame Elektrode (d.h. der piezoelektrische Aktuator weist genau eine obere und genau eine untere Elektrode auf). Werden die piezoelektrische Elemente zeitverzögert oder unabhängig voneinander angesteuert, haben sie eine eigene Signalelektrode/obere Elektrode. Das heißt der piezoelektrische Aktuator weist eine Vielzahl an oberen Elektroden auf. Die untere Elektrode (Masseelektrode) wird jedoch gemeinsam genutzt.
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Das Kontaktelement ist sehr platzsparend ausgebildet. Wird ein Flex-Kabel verwendet, liegt seine Dicke bevorzugt unter 200 µm. Bei einem UHF-Koaxialkabel kann mit einem Durchmesser ≤ 2 mm, beispielsweise 1 mm, gerechnet werden. Eine Integration des Wandlers ist damit selbst bei sehr beengten Platzverhältnissen möglich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein piezoelektrischer Wandler beschrieben. Der piezoelektrische Wandler ist zur Anregung mechanischer Wellen in einer zu untersuchenden Struktur ausgebildet. Der piezoelektrische Wandler ist zur Überwachung eines Zustands der Struktur und/oder zur Überwachung von Temperatureffekten über die Struktur bzw. deren Materialien ausgebildet. Alle Eigenschaften und vorteilhaften Ausführungen, die in Bezug auf den piezoelektrischen Wandler gemäß dem ersten Aspekt offenbart sind, sind auch entsprechend für den Wandler gemäß dem zweiten Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des zweiten Aspekts erwähnt wird.
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Der piezoelektrische Wandler weist einen piezoelektrischen Aktuator auf. Der piezoelektrische Aktuator ist ein Komposit-Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator weist eine Piezoplatte auf. Die Piezoplatte ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet. Eine Breite B der Piezoplatte ist folglich kleiner als eine Länge L der Piezoplatte. Die Breite der Piezoplatte erstreckt sich senkrecht zu der Längsachse X des Wandlers.
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Der piezoelektrische Wandler weist ferner eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht weist eine Dicke zwischen 1 µm und 200 µm auf. Die Trägerschicht kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ausgebildet sein. Die Trägerschicht kann Stahl, Glas, ein hartes Polymer (z.B. Epoxid) oder ein weiches Polymer (z.B. Polyurethan) aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator ist an einer Oberseite der Trägerschicht angeordnet, vorzugsweise mit einem Klebstoff festgeklebt. Eine Dicke der Klebstoffschicht ist dabei so dünn wie möglich ausgebildet.
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Der piezoelektrische Wandler weist ferner wenigstens ein Schutzelement auf. Der piezoelektrische Aktuator ist vollständig in dem Schutzelement eingebracht. Durch das Schutzelement wird der Wandler vor externen Einflüssen geschützt. Das Schutzelement ist dazu ausgebildet den Wandler zu versiegeln. Damit wird die Robustheit des Wandlers gesteigert.
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Der piezoelektrische Wandler weist weiterhin wenigstens ein Kontaktelement zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Wandlers auf. Das Kontaktelement bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik, mit der der Wandler verbunden wird. Das Kontaktelement ist zumindest teilweise in das Schutzelement integriert. Dadurch ist der Wandler sehr kompakt, und - auf Grund der Integration des Kontaktelements in das Schutzelement - auch weniger anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Damit wird ein sehr flexibel einsetzbarer Wandler bereitgestellt.
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Der piezoelektrische Wandler ist sehr kompakt ausgebildet. Eine äußere Abmessung des Wandlers beträgt in etwa 25 mm x 10 mm. Der piezoelektrische Wandler wird in einem Breitenmodus der Piezoplatte betrieben. Eine Hauptverformungsrichtung der Piezoplatte erstreckt sich folglich entlang der Breite der Piezoplatte und damit senkrecht zu einer Länge des Wandlers.
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Folglich entspricht der Breitenmodus der Piezoplatte einem Breitenmodus des gesamten piezoelektrischen Wandlers. Der Breitenmodus kann durch Oberwellen des Längsmodus der Piezoplatte beeinflusst werden. Zusätzlich kann die Piezoplatte auch noch im Dickenmodus angeregt werden. Vorzugsweise ist die Piezoplatte in Richtung der Dicke polarisiert.
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Durch seine spezielle Ausgestaltung erzielt der Wandler eine gerichtete Abstrahlung mechanischer Wellen für eine optimierte Zustandsüberwachung in einer Struktur unter Vermeidung unerwünschter Reflexionen von Hindernissen/Merkmalen in der Umgebung. Durch die spezifische Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators verfügt der Wandler ferner über optimierte piezoelektrische Eigenschaften für eine maximale Wellenanregung und -erfassung. Er hat weiterhin einen klaren Vibrationsmodus im Zielbereich, selbst wenn der piezoelektrische Aktuator ein kleines Längen/Breiten-Verhältnis aufweist. Dabei wird unabhängig von der Länge L des piezoelektrischen Aktuators eine saubere Resonanz erzielt. Alles in allem wird ein hoch-effizienter, kompakter, langlebiger, und kostengünstiger Wandler bereitgestellt.
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Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
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Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Seitenansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers gemäß 1,
- 3 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers,
- 5 eine Draufsicht auf einen Teil des piezoelektrischen Wandlers,
- 6 eine Draufsicht auf einen Teil des piezoelektrischen Wandlers inklusive elektrischer Kontaktierung,
- 7 eine Draufsicht auf ein System zur Überwachung einer Struktur,
- 8a eine Seitenansicht des Systems gemäß 7,
- 8b eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Systems gemäß 7
- 9 eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 10 eine perspektivische Ansicht eines Teils des piezoelektrischen Wandlers gemäß 9.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Wandler 1 ist dazu ausgelegt mechanische Wellen (Lamb Wellen) in einer Struktur anzuregen. Insbesondere ist der piezoelektrische Wandler 1 (im folgenden Wandler 1) dazu ausgebildet in Anwendungen zur Untersuchung des Zustands, von Temperatureffekten und/oder der Qualität platter oder plattenartiger Strukturen integriert zu werden. Dabei ist zu beachten, dass die Temperatur nicht direkt gemessen wird. Vielmehr werden Materialeigenschaftsänderungen sowie Geometrieänderungen gemessen und aus diesen können die Temperatur/Feuchtigkeit/Luftdruckänderungen bestimmt werden. Zusätzlich ermöglicht der Wandler 1 die Untersuchung von SOX von Lithium-Ionen Zellen. Beispielsweise ist der Wandler 1 zur Anwendung in einer Li-Ionen-Auto Traktionsbatterie geeignet.
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Der Wandler 1 weist einen piezoelektrischen Aktuator 2 auf (siehe hierzu auch 4). Der piezoelektrische Aktuator 2 ist rechteckig ausgebildet. Mit anderen Worten, der piezoelektrische Aktuator 2 weist eine Länge L auf, welche größer ist als eine Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 ( 4). Die Breite B definiert die optimale Anregungsfrequenz des Wandlers 1.
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Der piezoelektrische Aktuator 2 ist ein Komposit-Aktuator. Der piezoelektrische Aktuator 2 weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 3 auf, welche entlang einer Längsachse X des piezoelektrischen Aktuators 2 angeordnet sind.
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Die Länge L des piezoelektrischen Aktuators 2 ist abhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente 3.
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Die piezoelektrischen Elemente 3 sind streifenförmig ausgebildet (Piezostreifen). Die piezoelektrischen Elemente 3 sind rechteckig. Eine Länge 1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 ist folglich größer als eine Breite w1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 (4). Vorzugsweise ist 1 ≥ 3 · w1.
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Die Länge 1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 entspricht der Breite B des piezoelektrischen Aktuators 2 (1 = B), wie der 4 entnommen werden kann. Ein Abstand A zwischen zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Elementen 3 (siehe 4) beträgt maximal 1/10 der Länge 1 des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3.
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Das jeweilige piezoelektrische Element 3 weist ferner eine Dicke t auf. Die Dicke t der piezoelektrischen Elemente 3 entspricht der Dicke des kompletten piezoelektrischen Aktuators 2 und ist < 2 mm. Die Dicke t des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 beträgt bevorzugt maximal ein Drittel ihrer Breite w1, mit anderen Worten w1 ≥ 3 · t. Insgesamt gilt für den Wandler 1 damit 1 >> w1 und w1 >> t.
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Der Wandler 1 wird im so genannten Longitudinalmodus des jeweiligen piezoelektrischen Elements 3 betrieben. Das bedeutet eine Hauptverformungsrichtung D (siehe 4) bzw. eine anvisierte Vibrationsrichtung V des piezoelektrischen Aktuators 2 erstreckt sich entlang der Längsausdehnung (entlang der Länge 1) der piezoelektrischen Elemente 3, wie beispielsweise 5 und 6 entnommen werden kann. Auf den Wandler 1 bezogen, wird der Wandler 1 damit in einem Breitenmodus des Wandlers 1 betrieben.
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Zusammengefasst ermöglicht der piezoelektrische Aktuator 2 auf Grund seiner spezifischen Ausgestaltung (Kompositaufbau, 1 >> w1 und w1 >> t) die Emission von Energie im Wesentlichen in eine Richtung quer zur Längsachse X des Wandlers 1, also entlang der Längsausdehnung der piezoelektrischen Elemente 3. Dabei wird unabhängig von der Anzahl der piezoelektrischen Elemente 3 eine saubere Resonanz erzielt. Mit anderen Worten, unabhängig von der Länge L des piezoelektrischen Aktuators 2 wird eine saubere Resonanz erzielt.
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Der Wandler 1 weist ferner eine Trägerschicht 4 auf. Die Trägerschicht 4 weist eine Oberseite 4a und eine Unterseite 4b auf. Die Unterseite 4b ist dabei diejenige Außenfläche der Trägerschicht 4, welche der zu untersuchenden Struktur zugewandt ist bzw. an ihr befestigt ist.
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Die Trägerschicht 4 dient als Schutz und/oder Träger für den piezoelektrischen Aktuator 2. Der piezoelektrische Aktuator 2 ist an der Oberseite 4a der Trägerschicht 4 angeordnet und mittels eines Klebstoffs 7 (Klebstoffschicht 7) befestigt.
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Der Klebstoff 7 kann dabei entweder nur zwischen der Trägerschicht 4 und dem piezoelektrischen Aktuator 2 angeordnet sein (siehe 2), oder aber auch (alternativ oder zusätzlich) zwischen den einzelnen piezoelektrischen Elementen 3, wie aus der 1 hervorgeht. Der Klebstoff kann zwischen der Trägerschicht 4 und dem piezoelektrischen Aktuator 2 und zusätzlich dazu auch zwischen den einzelnen piezoelektrischen Elementen 3 angeordnet sein.
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Eine Dicke der Trägerschicht 4 liegt im Bereich von 20 µm bis 200 µm., wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Dicke der Trägerschicht 4 hängt von einem Material der Trägerschicht ab. Die Trägerschicht 4 kann harte Materialien wie Stahl und Glas aufweisen. Alternativ kann die Trägerschicht ein hartes Polymer (Epoxid) oder ein weiches Polymer (Polyurethan) aufweisen. Die Klebstoffschicht 7 zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 2 und der Trägerschicht 4 ist so starr und dünn wie möglich.
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Der Wandler 1 weist ferner ein Schutzelement 5 auf. Das Schutzelement 5 dient zum Schutz des piezoelektrischen Aktuators 1 vor Feuchtigkeit, Staub oder anderen externen Einflüssen. Das Schutzelement 5 stabilisiert und versiegelt den Wandler 1. Der piezoelektrische Aktuator 2 ist vollständig in dem Schutzelement 5, 15 eingebettet. Ferner bedeckt das Schutzelement auch die gesamte Oberseite 4a der Trägerschicht 4.
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An einer Oberseite 3a und an einer Unterseite 3b der piezoelektrischen Elemente 3 sind Elektroden 8, 9 ausgebildet zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Aktuators 2 (siehe insbesondere die 4 und 5). Die elektrische Kontaktierung der Elektroden 9 an der Unterseite 3b der piezoelektrischen Elemente 3 (Masseelektroden 9) kann entweder über eine Wickelelektrode (so genannte wrap-up Elektrode) entweder an den langen oder kurzen Seiten der piezoelektrischen Elemente 3 erfolgen. Alternativ dazu kann die Masseelektrode 8 auch über die Trägerschicht 4 kontaktiert werden. In diesem Fall ist die Trägerschicht 4 elektrisch leitend ausgebildet.
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Der Wandler 1 weist ferner ein Kontaktelement 6 zum elektrischen Anschluss des Wandlers 1 auf. Das Kontaktelement 6 ist zumindest teilweise in dem Schutzelement 5 eingebettet, wie aus 1 ersichtlich ist. Das Kontaktelement 6 ist dazu ausgebildet und angeordnet die Elektroden 8 auf der Oberseite 3a der piezoelektrischen Elemente 3 zu kontaktieren, wie beispielsweise aus den 1, 3 und 6 hervorgeht.
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Mittels der Elektroden 8 an der Oberseite 3a der piezoelektrischen Elemente 3 (Signalelektrode 8) können alle piezoelektrischen Elemente 3 parallel geschaltet werden, so dass die piezoelektrischen Elemente 3 gleichzeitig anregt werden. Die Elektroden 8 können mittels eines leitfähigen Elements 13 (siehe hierzu 6) gemeinsam durch das Kontaktelement 6 elektrisch kontaktiert und damit gleichzeitig angeregt werden.
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Alternativ dazu können die piezoelektrischen Elemente 3 aber auch einzeln elektrisch angeschlossen werden, wenn eine individuelle Anregung jedes piezoelektrischen Elements 3 gewünscht wird. Damit können die einzelnen piezoelektrischen Elemente 3 auch mit einer Zeitverzögerung zueinander angeregt werden. Somit kann eine Führung und Fokussierung der angeregten Wellen erzielt werden, was den Wandler 1 besonders effektiv macht. In diesem Fall kann das in 6 dargestellte leitfähige Element 13 entfallen.
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Das Kontaktelement 6 kann beispielsweise eine flexible Elektronik / ein Flex-Kabel (so genannter flex-circuit), wie in 6 dargestellt, ein UHF Koaxialkabel, oder zwei Drähte aufweisen. Die Abmessungen des Kontaktelements 6 variieren je nach verwendetem Typ. Wenn ein Flex-Kabel verwendet wird, liegt seine Dicke bevorzugt unter 200 µm. Bei einem UHF-Koaxialkabel kann mit einem Durchmesser von ≤ 2 mm, beispielsweise 1 mm, gerechnet werden. Alternative Lösungen weisen andere Abmessungen auf.
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Das Kontaktelement 6 bildet eine Schnittstelle zu einer weiteren Elektronik. Das Kontaktelement 6 ist fest am Wandler 1 angeordnet und kann nicht vom Wandler 1 gelöst werden. Das Kontaktelement 6 kann von der zusätzlichen Elektronik, die sich außerhalb des Wandlers 1 befindet, gelöst bzw. abgesteckt werden. Der Wandler 1 kann auch mit der Dickenresonanzfrequenz (oberhalb von 1 MHz abhängig von der Dicke t der piezoelektrischen Elemente 3) betrieben werden, um vorwiegend Longitudinalwellen an der Oberfläche der zu untersuchenden Struktur zu erzeugen.
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Die 3 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1, kurz Wandler 1, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Wandler 1 gemäß 1 weist der Wandler 1 in 3 ein Gehäuse 25 als Schutzelement 5 auf. In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Wandlers 1, insbesondere den piezoelektrischen Aktuator 2 mit den piezoelektrischen Elementen 3, die Trägerschicht 4 sowie das Kontaktelement 6 wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Das Gehäuse 25 ist besonders zweckmäßig um den piezoelektrischen Aktuator 2 vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere ist das Gehäuse 25 dazu ausgebildet und angeordnet, um eine mechanische Belastung der piezoelektrischen Elemente 3 sowie einen Kurzschluss der Elektroden 8, 9 des Wandlers 1 zu vermeiden.
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Das Gehäuse 25 kann beispielsweise Metall oder Plastik aufweisen. Das Gehäuse 25 ist an der Oberseite 4a der Trägerschicht 4 angeordnet. Das Gehäuse 25 weist einen Innenbereich auf, in welchem der piezoelektrische Aktuator 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 25 umschließt den piezoelektrischen Aktuator vollständig. Ferner wird wenigstens ein Teilbereich des Kontaktelements 6 vom Gehäuse 25 umschlossen. Das heißt das Kontaktelement 6 ist zumindest teilweise in das Gehäuse 25 integriert.
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Der Innenbereich des Gehäuses 25 weist einen Freibereich 10 zwischen einer Außenfläche 2a des piezoelektrischen Aktuators 2 und einer Innenfläche 25a des Gehäuses 25 auf. Mit anderen Worten, Oberseite und Seitenflächen des piezoelektrischen Aktuators 2 sind von der Innenfläche 25a des Gehäuses beabstandet. Bevorzugt ist der Freibereich 10 leer, mit anderen Worten er ist frei von jeglichem Material. Auf diese Weise können Dämpfungseffekte durch ein in dem Freibereich 10 befindliches Material verhindert werden.
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Alternativ dazu kann der Freibereich 10 mit einem Polymer oder einem Schaum ausgefüllt sein (nicht explizit dargestellt). Dies erhöht die mechanische Robustheit des Wandlers 1 und dient als zusätzlicher Schutz gegen Feuchtigkeit und/oder Staub. Das Polymer kann ein weiches Material, zum Beispiel Silikon oder Polyurethan aufweisen. Alternativ dazu kann das Polymer auch ein Epoxid aufweisen.
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Eine Dicke des Wandlers 1 inklusive Trägerschicht 4 und Schutzelement 5 ist kleiner oder gleich 3 mm. Damit ist der Wandler 1 besonders kompakt ausgebildet. Dies prädestiniert den Wandler 1 für eine Integration in besonders kleine Räume, insbesondere auch in Strukturen, die aus verschiedenen Lagen bestehen.
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Die 7, 8a und 8b zeigen ein System zur Überwachung einer Struktur 11 und ein damit einhergehendes Überwachungsverfahren. Das System weist zwei wie oben beschriebene Wandler 1, E, R mit den Kontaktelementen 6, die dem elektrischen Anschluss der Wandler 1, E, R dienen, auf. Ein erster Wandler 1, E dient zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Das heißt, die piezoelektrischen Elemente 3 des ersten Wandlers 1, E werden zu Schwingungen angeregt, wodurch mechanische Wellen in der Struktur 11 erzeugt werden. Ein zweiter Wandler 1, R dient zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Das heißt, die in der Struktur 11 erzeugten mechanischen Wellen regen die piezoelektrischen Elemente 3 des zweiten elektrischen Wandlers 1, R wiederum zu Schwingungen an.
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Eine Oberfläche, an der der Wandler 1 befestigt ist, ist flach. Diese flache bzw. ebene Fläche kann direkt zu der zu überwachenden Struktur 11 gehören. Alternativ und wenn die zu überwachende Struktur 11 gekrümmt ist, kann ein Adapter zwischen dem Wandler 1 und der Struktur 11 hinzugefügt werden, um die Geometrieabweichung zu überbrücken.
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Das Länge/Breite/Dickenverhältnis der Struktur 11 sollte so gewählt werden, dass Lamb Wellen angeregt werden. Die Struktur 11 weist eine Oberseite 11a und eine Unterseite 11b auf. Zur Überwachung der Struktur 11 werden der erste Wandler 1, E und der zweite Wandler 1, R auf einer Oberfläche (hier Oberseite 11a) mit Hilfe eines Befestigungsmittels 12 befestigt (8a). Das Befestigungsmittel 12 ist beispielsweise ein hartes Epoxid, um eine gute Übertragung der Dehnung von den piezoelektrischen Elementen 3 auf die Struktur 11 und umgekehrt zu gewährleisten. Sollen die Wandler 1, E, R wieder entfernt werden, kann beispielsweise auch ein (beispielsweise mit Aceton) wieder entfernbarer Sekundenkleber als Befestigungsmittel 12 verwendet werden.
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Die Wandler 1, E, R werden in einem spezifischen Abstand zueinander auf der Oberfläche befestigt. Der Abstand zwischen den beiden Wandlern 1, E, R hängt von einer Anregungsfrequenz des jeweiligen Wandlers 1, E, R sowie von einer Dicke und/oder von Materialeigenschaften der zu überwachenden Struktur 11 ab.
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Sind die Wandler 1, E, R befestigt, werden die piezoelektrischen Elemente 3 des ersten Wandlers 1, E zu Schwingungen in die Vibrationsrichtung V (8b) angeregt. Wie bereits oben beschrieben, erstreckt sich die Hauptverformungsrichtung der piezoelektrischen Elemente 3 entlang ihrer Längsausdehnung. Der Wandler 1, E erzeugt - wie oben beschrieben - mechanische Wellen und insbesondere ein gerichtetes akustisches Feld F in der Struktur 11 (7).
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Die durch die Struktur 11 verlaufenden mechanischen Wellen werden durch den zweiten piezoelektrischen Wandler 1, R empfangen, wodurch dieser ebenfalls zu Schwingungen/Vibration angeregt wird. Die Beschaffenheit der durch den zweiten Wandler 1, R empfangenen mechanischen Wellen ist dabei abhängig von den Eigenschaften der Struktur 11. Anschließend werden die von dem zweiten Wandler 1, R empfangenen Signale ausgewertet, um den Zustand, die Qualität und/oder die Temperatur der Struktur 11 zu überwachen.
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Die 9 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Wandlers 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Wandler 1 ist - wie bereits in Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren beschrieben - dazu ausgelegt mechanische Wellen (Lamb Wellen) in einer Struktur anzuregen. Insbesondere ist der piezoelektrische Wandler 1 (im folgenden Wandler 1) dazu ausgebildet in Anwendungen zur Untersuchung des Zustands, von Temperatureffekten und/oder der Qualität platter oder plattenartiger Strukturen integriert zu werden.
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Der Wandler 1 weist einen piezoelektrischen Aktuator 2, eine Trägerschicht 4, ein Schutzelement 5, 15, 25, eine obere Elektrode 8, eine untere Elektrode 9 sowie ein Kontaktelement 6 auf. In Bezug auf die Eigenschaften und Funktionen der entsprechenden Komponenten, insbesondere von Trägerschicht 4, Kontaktelement 6, Elektroden 8, 9 und Schutzelement 5, 15, 25, wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Im Gegensatz zu dem Wandler 1 gemäß der obigen Ausführungen, weist der piezoelektrische Aktuator 2 keine Vielzahl von piezoelektrischen Streifen, sondern eine Piezoplatte 20 auf (siehe hierzu auch 10). Der piezoelektrische Aktuator 2 bzw. die Piezoplatte 20 ist rechteckig ausgebildet. Mit anderen Worten die Piezoplatte 20 weist eine Länge L auf, welche größer ist als eine Breite B der Piezoplatte 20. Die Breite B definiert die optimale Anregungsfrequenz des Wandlers 1. Die Piezoplatte 20 weist ferner eine Dicke t auf. Die Dicke t ist bevorzugt < 2 mm.
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Der Wandler 1 wird im Breitenmodus der Piezoplatte 20 betrieben. Das bedeutet eine Hauptverformungsrichtung D (siehe 10) des piezoelektrischen Aktuators 2 erstreckt sich entlang der Breite B des Aktuators 2. Auf den Wandler 1 bezogen, wird der Wandler 1 folglich ebenfalls in einem Breitenmodus betrieben.
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Der Wandler 1 ist dazu ausgestaltet an einer eben Fläche befestigt, vorzugsweise angeklebt zu werden, zur Überwachung einer Struktur 11, wie bereits in Zusammenhang mit den 1 bis 8b beschrieben wurde.
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Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Piezoelektrischer Wandler
- 2
- Piezoelektrischer Aktuator
- 2a
- Außenfläche des piezoelektrischen Aktuators
- 3
- Piezoelektrisches Element
- 3a
- Oberseite des piezoelektrischen Elements
- 3b
- Unterseite des piezoelektrischen Elements
- 4
- Trägerschicht
- 4a
- Oberseite der Trägerschicht
- 4b
- Unterseite der Trägerschicht
- 5
- Schutzelement
- 6
- Kontaktelement
- 7
- Klebstoff / Klebstoffschicht
- 8
- Elektrode / Signalelektrode
- 9
- Elektrode / Masseelektrode
- 10
- Freibereich
- 11
- Struktur
- 11a
- Oberseite
- 11b
- Unterseite
- 12
- Befestigungsmittel
- 13
- Leitfähiges Element
- 15
- Polymer
- 20
- Piezoplatte
- 25
- Gehäuse
- 25a
- Innenfläche des Gehäuses
- X
- Längsachse
- D
- Hauptverformungsrichtung
- 1
- Länge des piezoelektrischen Elements
- L
- Länge des piezoelektrischen Aktuators
- w1
- Breite des piezoelektrischen Elements
- B
- Breite des piezoelektrischen Aktuators
- t
- Dicke des piezoelektrischen Elements / des piezoelektrischen Aktuators
- A
- Abstand zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Elementen
- F
- Akustisches Feld
- E
- Erster piezoelektrischer Wandler
- R
- Zweiter piezoelektrischer Wandler
- V
- Anvisierte Vibrationsrichtung
