EP0971557B1 - Ultraschall-Folien-Wandler - Google Patents

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EP0971557B1
EP0971557B1 EP99109344A EP99109344A EP0971557B1 EP 0971557 B1 EP0971557 B1 EP 0971557B1 EP 99109344 A EP99109344 A EP 99109344A EP 99109344 A EP99109344 A EP 99109344A EP 0971557 B1 EP0971557 B1 EP 0971557B1
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EP
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film
ultrasonic
transducer
electrically conductive
plastic
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Peter Anders
Klaus Rieck
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic film transducer, comprising two electrodes and an insulating layer arranged between the electrodes.
  • An electrostatic ultrasonic transducer is constructed similarly to a plate capacitor, in which a thin conductive membrane is arranged opposite a solid electrode is, the membrane also acts as a counter electrode.
  • the membrane By creating one AC voltage between the electrodes, there is a force that the flexible membrane stimulates vibration, causing sound waves in the surrounding air be generated.
  • the electrostatic force on the membrane is proportional to the square of the applied voltage increases, the operating point on the quadratic characteristic shifted by applying a high DC voltage so that the changes are almost linear due to the AC voltage.
  • the membrane is applied directly to the electrode via an insulating intermediate layer applied, an ultrasonic sell transducer is created, with two variants in principle exist to create the air cushion necessary for sound generation.
  • an ultrasonic sell transducer is created, with two variants in principle exist to create the air cushion necessary for sound generation.
  • the Surface quality of the electrode is decisive for the cutoff frequency and the Sensitivity of the ultrasonic transducer responsible. If the surface is polished, a Frequency range up to approx. 500 kHz reached with relatively low sensitivity.
  • the surface of the electrode is roughened or structured, for example, with grooves, the cutoff frequency decreases with increased sensitivity.
  • Insulating layer for example, be structured with openings so that there is between the Membrane and the electrode forms an air cushion.
  • Such an ultrasonic sell transducer is known, for example, from EP-A-0 825 585 to sense the distance from objects.
  • a film structure which is shown in Fig. 1.
  • the metal foils of the Electrodes can also lead to hairline cracks, which then lead to long-term Cause total failure of the converter.
  • the invention is therefore based on the technical problem of such an ultrasound transducer and to create a process for its manufacture in which the previously problems described are avoided.
  • the ultrasound film transducer 1 of the prior art comprises a first metal layer 2, an insulating layer 3 and a second metal layer 4.
  • the metal layer 4 is structured such that Form electrodes 5 and conductor tracks (not shown) to electrodes 5.
  • the Insulating layer 3, which is designed as a film, serves for the electrical separation of the two metal layers 2, 4 and has an opening 6 in the area of the electrode 5, so that an air cushion can form between the two metal layers 2, 4.
  • the first metal layer 2, which is formed unstructured, can either with the Insulating layer 3 form a common film or on a separate film 7 be applied.
  • the ultrasonic film transducer 1 is in the range of Automotive technology in vehicle parts 8, such as trim strips or bumpers, integrated, the ultrasonic film transducer 1 preferably in the Vehicle part 8 is injected. Because of the pressures that occur during the injection process hairline cracks can occur in the metal layers 2, 4, which then develop in the course of Expand operation and to a complete tearing of the metal layers 2, 4 being able to lead. Furthermore, the metal layers 2, 4 have despite their small thickness of 100 ⁇ m a certain rigidity compared to the other foils, so that it too Warping can occur because the metal layers 2, 4 are not sufficient Can adjust contours in the injection mold.
  • the metal layers 2, 4 are made of conductive Plastic films 9, 10 replaced what is shown in cross section in FIG. 2.
  • the basic layer sequence corresponds to that of FIG. 1.
  • the electrodes As a conductive plastic film 9, 10, however, there are some changes. So are Conductive plastic films in relation to metal layers more flexible, so that these when Better adapt the injection process to the contours and also due to the pressures are less easily damaged.
  • the manufacturing process simplify, since for example the plastic film 9 and the insulating film 3 are simple let it laminate and be available as rolls.
  • the plastic film 10 has Cross-section of a mushroom-shaped structure, with the wider top being the real one Electrode surface forms and the narrower underside for alignment in the injection mold and is used for contacting.
  • This shape enables sufficient back injection of the Ultrasonic film transducer 1 with molding compound of part 8. Because the one electrode forming plastic film 9 is already formed as a film, can on the separate film 7th 1 can be dispensed with. To protect against mechanical damage and Color matching to the environment can alternatively be a varnish layer 11 on the Plastic film 9 are applied.
  • FIG. 3 shows a top view of the ultrasound film transducer 1, the Plastic film 10 with the electrode 5 formed by it to the openings 6 of the Insulating film 3 is aligned and completely covered.
  • the breakthroughs 6 are there preferably designed as concentrically arranged slots, as in FIG. 4 is shown.
  • a base material for the plastic films 9, 10 are conductive Insulating plastics filled with particles, with carbon, especially carbon black, good results have been achieved.
  • a PVC is preferably used as the plastic used that is easy to process and flexible according to different contours adapts what Rexam 2252 COERX is used for.
  • the slides point preferably a thickness between 50 to 100 microns.
  • the ultrasonic film transducer 1 can be produced particularly easily if the Structures for forming the air cushion are integrated into the plastic film 10 because then the insulating film 3 as the plastic film 9 can be formed unstructured. Thereby the two foils 3, 9 can be aligned in relation to one another laminate the uncritical pre-process together and are available as rolls, to which the plastic film 10 is then also applied without critical adjustment got to.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Folien-Wandler, umfassend zwei Elektroden und eine zwischen den Elektroden angeordnete Isolierschicht.
Ein elektrostatischer Ultraschallwandler ist ähnlich wie ein Plattenkondensator aufgebaut, bei dem eine dünne leitfähige Membran gegenüber einer massiven Elektrode angeordnet ist, wobei die Membrane gleichzeitig als Gegenelektrode fungiert. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden kommt es zu einer Krafteinwirkung, die die flexible Membrane zur Schwingung anregt, wodurch Schallwellen in der umgebenden Luft erzeugt werden. Da die elektrostatische Kraft auf die Membran proportional zum Quadrat der angelegten Spannung ansteigt, wird der Arbeitspunkt auf der quadratischen Kennlinie durch Anlegen einer hohen Gleichspannung verschoben, so daß die Änderungen aufgrund der Wechselspannung nahezu linear sind.
Wird die Membrane über eine isolierende Zwischenschicht direkt auf die Elektrode aufgebracht, so entsteht ein Ultraschall-Sellwandler, wobei prinzipiell zwei Varianten bestehen, um das für die Schallerzeugung notwendige Luftpolster zu erzeugen. Zum einen kann die Rauhigkeit der Oberfläche der Elektrode ausgenutzt werden. Da die Elektrode niemals völlig plan ist, liegt die Isolierschicht auf winzigen Erhebungen auf, so daß sich zwischen der Elektrode und Isolierschicht bzw. Membrane ein dünnes und nachgiebiges Luftpolster einstellt, in dem die Membrane schwingen kann. Die Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode ist maßgeblich für die Grenzfrequenz und die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers verantwortlich. Bei polierter Oberfläche wird ein Frequenzbereich bis ca. 500 kHz bei relativ geringer Empfindlichkeit erreicht. Wird die Oberfläche der Elektrode hingegen aufgerauht oder beispielsweise mit Rillen strukturiert, so nimmt die Grenzfrequenz bei erhöhter Empfindlichkeit ab. Zum anderen kann die Isolierschicht beispielsweise mit Durchbrüchen strukturiert sein, so daß sich zwischen der Membran und der Elektrode ein Luftpolster ausbildet.
Ein solcher Ultraschall-Sellwandler ist beispielsweise aus der EP-A-0 825 585 bekannt, um den Abstand von Objekten zu sensieren. Zur einfacheren Herstellung einer Vielzahl von Ultraschallwandlern, wie sie im Kraftfahrzeugbereich beispielsweise benötigt werden, wird ein Folienaufbau vorgeschlagen, der in Fig. 1 dargestellt ist. Wird nun ein derartiger Ultraschall-Wandler in eine Zierleiste oder einen Stoßfänger eingespritzt, so treten größere Drücke auf, die aufgrund der unterschiedlichen Elastizität der Folien zu unerwünschten Abständen zwischen den Folien führen können, die dann die Funktionalität des Wandlers beeinträchtigen. Insbesondere in den Metallfolien der Elektroden kann es darüber hinaus zu Haarrissen führen, die dann langfristig zu einem Totalausfall des Wandlers führen.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen derartigen Ultraschall-Wandler und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei denen die zuvor beschriebenen Probleme vermieden werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10. Durch die Ausbildung der elektrisch leitenden Folien aus einem leitfähigen Kunststoff passen diese sich an verschiedenste Konturen an, ohne Verwerfungen oder Risse zu bilden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1
einen Querschnitt durch einen Ultraschall-Folien-Wandler (Stand der Technik),
Fig. 2
einen Querschnitt durch einen Ultraschall-Folien-Wandler,
Fig. 3
eine Draufsicht auf einen Ultraschall-Folienwandler und
Fig. 4
eine Draufsicht auf eine Isolierfolie.
Der Ultraschall-Folien-Wandler 1 des Standes der Technik (Figur 1) umfaßt eine erste Metallschicht 2, eine Isolierschicht 3 und eine zweite Metallschicht 4. Die Metallschicht 4 ist dabei derart strukturiert, daß sich Elektroden 5 und nicht dargestellte Leiterbahnen zu den Elektroden 5 ausbilden. Die Isolierschicht 3, die als Folie ausgebildet ist, dient dabei zur elektrischen Trennung der beiden Metallschichten 2, 4 und weist im Bereich der Elektrode 5 einen Durchbruch 6 auf, so daß sich zwischen den beiden Metallschichten 2, 4 ein Luftpolster ausbilden kann. Die erste Metallschicht 2, die unstrukturiert ausgebildet ist, kann entweder mit der Isolierschicht 3 eine gemeinsame Folie bilden oder auf einer separaten Folie 7 aufgebracht werden. Der Ultraschall-Folien-Wandler 1 wird im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik in Fahrzeugteile 8, wie beispielsweise Zierleisten oder Stoßfänger, integriert, wobei der Ultraschall-Folien-Wandler 1 dabei vorzugsweise in das Fahrzeugteil 8 eingespritzt wird. Aufgrund der beim Einspritzvorgang auftretenden Drücke kann es in den Metallschichten 2, 4 zu Haarrissen kommen, die sich dann im Laufe des Betriebes ausdehnen und zu einem vollkommenen Abreißen der Metallschichten 2, 4 führen können. Des weiteren weisen die Metallschichten 2, 4 trotz ihrer geringen Dicke von 100 µm eine gewisse Starrheit gegenüber den anderen Folien auf, so daß es zu Verwerfungen kommen kann, da sich die Metallschichten 2, 4 nicht ausreichend den Konturen im Spritzwerkzeug anpassen können.
Zur Vermeidung dieser Probleme werden die Metallschichten 2, 4 durch leitfähige Kunststoffolien 9, 10 ersetzt, was in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die prinzipielle Schichtenfolge entspricht der aus Fig. 1. Durch die Ausbildung der Elektroden als leitfähige Kunststoffolie 9, 10 ergeben sich jedoch einige Änderungen. So sind leitfähige Kunststoffolien im Verhältnis zu Metallschichten flexibler, so daß sich diese beim Einspritzvorgang besser den Konturen anpassen und auch durch die anfallenden Drücke sich weniger leicht beschädigen lassen. Zum anderen läßt sich der Herstellvorgang vereinfachen, da beispielsweise die Kunststoffolie 9 und die Isolierfolie 3 sich einfach laminieren lassen und als Rollenware zur Verfügung stehen. Die Kunststoffolie 10 weist im Querschnitt eine pilzförmige Struktur auf, wobei die breitere Oberseite die eigentliche Elektrodenfläche bildet und die schmalere Unterseite zum Ausrichten im Spritzwerkzeug und zum Kontaktieren dient. Diese Form ermöglicht ein ausreichendes Hinterspritzen des Ultraschall-Folien-Wandlers 1 mit Spritzmasse des Teiles 8. Da die die eine Elektrode bildende Kunststoffolie 9 bereits als Folie ausgebildet ist, kann auf die separate Folie 7 gemäß Fig. 1 verzichtet werden. Zum Schutz vor mechanischen Schädigungen und zur farblichen Anpassung an die Umgebung kann dazu alternativ eine Lackschicht 11 auf die Kunststoffolie 9 aufgebracht werden.
In der Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Ultraschallfolien Wandler 1 dargestellt, wobei die Kunststoffolie 10 mit der von ihr gebildeten Elektrode 5 zu den Durchbrüchen 6 der Isolierfolie 3 ausgerichtet ist und diese vollständig bedeckt. Die Durchbrüche 6 sind dabei vorzugsweise als konzentrisch angeordnete Schlitze ausgebildet, wie in der Fig. 4 dargestellt ist.
Besonders geeignet als Basismaterial für die Kunststoffolien 9, 10 sind mit leitfähigen Partikeln gefüllte isolierende Kunststoffe, wobei mit Kohlenstoff, insbesondere mit Ruß, gute Ergebnisse erzielt wurden. Als Kunststoff wird dabei vorzugsweise ein PVC verwendet, das gut verarbeitbar und entsprechend flexibel sich verschiedenen Konturen anpaßt, wozu beispielsweise Rexam 2252 COERX verwendet wird. Die Folien weisen dabei vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 bis 100 µm auf.
Besonders einfach lassen sich die Ultraschall-Folien-Wandler 1 herstellen, wenn die Strukturen zur Bildung der Luftpolster in die Kunststoffolie 10 integriert werden, da dann die Isolierfolie 3 wie die Kunststoffolie 9 unstrukturiert ausgebildet werden kann. Dadurch lassen sich die beiden Folien 3, 9 in einem hinsichtlich der Ausrichtung zueinander unkritischen Vorprozeß zusammenlaminieren und stehen als Rollenware zur Verfügung, auf die dann ebenfalls ohne kritische Justage die Kunststoffolie 10 aufgebracht werden muß.

Claims (10)

  1. Ultraschall-Folien-Wandler (1), umfassend zwei elektrisch leitende Folien (9, 10), zwischen denen eine Isolierschicht (3) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die elektrisch leitenden Folien (9, 10) aus leitfähigem Kunststoff gebildet sind.
  2. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff als mit leitfähigen Partikeln gefüllter Isolator ausgebildet ist.
  3. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Kohlenstoff gebildet sind.
  4. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel Rußteilchen sind.
  5. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem PVC gebildet ist.
  6. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine elektrisch leitende Kunststoffolie (9) als unstrukturierte, die schwingungsfähige Membrane bildende Folie ausgebildet ist.
  7. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrisch leitende Kunststoffolie (10) derart strukturiert ist, daß sich singuläre Elektroden (5) und Leiterbahnen ausbilden, wobei die Kunststoffolie (10) im Bereich der Elektroden (5) im Querschnitt pilzförmig ausgebildet ist.
  8. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3) mit konzentrischen Teileinschnitten ausgebildet ist.
  9. Ultraschall-Folien-Wandler (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3) als unstrukturierte Folie und die Kunststoffolie (10) im Bereich der Elektroden (5) mit Luftpolstern bildenden Strukturen ausgebildet sind.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Folien-Wandlers (1) nach Anspruch 9, umfassend folgende Verfahrensschritte:
    a) Laminieren der ersten elektrisch leitenden Kunststoffolie (9) mit der Isolierfolie (3) und
    b) Aufbringen der zweiten elektrisch leitenden Kunststoffolie (10) auf die gemäß Verfahrensschritt a) erzeugte laminierte Folie.
EP99109344A 1998-06-09 1999-05-31 Ultraschall-Folien-Wandler Expired - Lifetime EP0971557B1 (de)

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