WO2016128090A1 - Ultraschallwandleranordnung - Google Patents

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WO2016128090A1
WO2016128090A1 PCT/EP2015/079360 EP2015079360W WO2016128090A1 WO 2016128090 A1 WO2016128090 A1 WO 2016128090A1 EP 2015079360 W EP2015079360 W EP 2015079360W WO 2016128090 A1 WO2016128090 A1 WO 2016128090A1
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WO
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layer
piezoelectric ultrasonic
sound transducer
transducer
membrane
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PCT/EP2015/079360
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andre Gerlach
Bernd SCHEUFELE
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • 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
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    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/064—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface with multiple active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer arrangement with at least two piezoelectric ultrasonic transducers.
  • the document DE 30 20 872 A1 discloses a method for producing ultrasonic layer transducers, in which a piezoceramic and thermoplastic plastic material are joined together by heat bonding. To generate the necessary heat for the bonding heat loss heat is produced in the piezoceramic by applying electrical signals.
  • Document DE 10 2008 049 788 A1 shows an ultrasound film converter in which piezo elements stacked on top of one another have a first electrode layer on a first surface and a second electrode layer on the opposite side. Stacked oriented terminals are selectively contacted by the first or second electrode layer.
  • An ultrasound array can be produced by means of a layer converter arranged in matrix form on a common carrier. The disadvantage here is that the individual layer transducers external influences, both mechanical and electrical type, are exposed.
  • the object of the invention is to protect the individual ultrasonic transducers against external influences.
  • the sound transducer arrangement according to the invention has at least two piezoelectric ultrasonic transducers, ie the sound transducer arrangement is designed as a sound transducer array.
  • the ultrasonic transducers are preferably layer converters or stack converters.
  • each piezoelectric ultrasonic transducer comprises a first side, which has a first connection layer.
  • One of the first side opposite second side has a second
  • the first connection layer is on one
  • a membrane layer which acts as a membrane in some areas.
  • the membrane layer preferably acts as a membrane at the locations which are located above the piezoelectric ultrasonic transducers.
  • the arrangement of the piezoelectric ultrasonic transducer, the support plate and the membrane layer form spaces. The spaces are at least partially filled with damping material.
  • Adjacent piezoelectric ultrasonic transducers have a spacing of typically less than one-half of an airborne sound wavelength, with the individual
  • Distances of the same size or different sizes can be selected.
  • the advantage here is that the individual ultrasonic transducers or layer transducers or stacked transducers are protected against external influences, since they are covered or covered by a single layer, namely the membrane layer.
  • Another advantage is that the attachment of the
  • the membrane layer has a structuring, so that the membrane layer has first regions and second regions.
  • the thickness of the first regions is greater than the thickness of the second regions.
  • Regions are located above the piezoelectric ultrasonic transducers.
  • a transducer head is arranged between the second connection layer and the membrane layer, the surface of which determines an active area of the piezoelectric ultrasonic transducer. Under active surface is understood to mean the area over which the sound recording or sound output.
  • the advantage here is that depending on the surface of the transducer head, the directional characteristic of the sound transmission or sound reception of the
  • Sound transducer arrangement is set.
  • the size of the surface of the transducer head determines the sound power level or the
  • the membrane layer at least partially
  • the metal layer is preferably within the
  • the first connection layer has a first adhesive and / or the second connection layer has a second adhesive.
  • the first adhesive preferably has different adhesive properties than the second adhesive.
  • the first adhesive preferably creates a rigid connection to allow the piezoelectric ultrasonic transducer to be fixed to the
  • Carrier element is connected.
  • the second adhesive preferably produces compounds that are more elastic. The bonds realize the
  • electrical contacts are arranged on the carrier element, which electrically connect the piezoelectric ultrasonic transducers with the carrier element.
  • the electrical contacts are designed as contact springs, so that the contact springs clamp the piezoelectric ultrasonic transducers.
  • Transducer elements is simple and robust.
  • each piezoelectric ultrasonic transducer has its own carrier element, wherein the individual carrier elements are arranged at a distance from one another, so that second intermediate spaces are formed.
  • the advantage here is that the piezoelectric ultrasonic transducer mutually have a greater vibration mechanical decoupling.
  • damping material at least partially fills the second spaces.
  • the thickness of the individual carrier elements adjusts the frequency range of the acoustic transducer arrangement.
  • the damping material on silicone.
  • the membrane layer is round or elliptical or square or rectangular or polygonal configured.
  • the advantage here is that the membrane layer can be adapted to an installation location of the sound transducer arrangement.
  • Ultrasonic transducers a membrane layer and a membrane
  • Figure 2 shows a transducer assembly with piezoelectric
  • Ultrasonic transducers a structured membrane layer and a carrier element
  • FIG. 3 shows a piezoelectric transducer arrangement
  • Ultrasonic transducers a membrane layer, transducer heads and a carrier element
  • FIG. 4 shows a piezoelectric transducer arrangement
  • Ultrasonic transducers a membrane layer, transducer heads and a plurality of support elements, and
  • FIG. 5 shows a piezoelectric transducer arrangement
  • Ultrasonic transducers a structured membrane layer and a plurality of carrier elements.
  • Figure 1 shows a sectional view in the x-z direction of a
  • Sound transducer assembly 100 with three arranged by way of example
  • the piezoelectric ultrasonic transducers 103 which form a transducer array.
  • the transducer array can take any geometric shapes of the transducer positions, preferably linear, matrix or oval.
  • the ultrasonic transducers 103 are preferably
  • piezoelectric ultrasonic transducers 103 is preferably less than half the airborne sound wavelength.
  • the ultrasonic transducer 103 consists of
  • the piezoelectric material arranged in multiple layers.
  • the Piezoelectric layers are each interrupted by electrically conductive layers, for. Metal. These electrically conductive layers each form electrodes for the piezo regions.
  • the electrodes 104 are led out for electrical contacting on electrically conductive surfaces laterally of the ultrasonic transducer 103, wherein the electrically conductive surfaces along the
  • Ultrasonic transducer 103 are arranged.
  • Ultrasonic transducers 103 are connected, for example, by electrical contacts 107 arranged on a carrier element 105 with conductor tracks which are arranged in or on the carrier element 105 and lead, for example, to an amplifier electronics.
  • the electrical contacts 107 are connected to the
  • Electrodes 104 of the piezoelectric ultrasonic transducer 103 connected by soldering, Leitkleben, bonding or thermo-compression welding.
  • resilient contact surfaces for. B. contact springs arranged, which pinch the piezoelectric ultrasonic transducer 103 to produce an electrical connection. Every piezoelectric
  • Ultrasonic transducer 103 has a first connection layer 108 and a second connection layer 109.
  • the two connection layers 108 and 109 are disposed on opposite sides of the piezoelectric ultrasonic transducer 103 at substantially right angles to the stacking direction of the individual layers of the piezoelectric ultrasonic transducer 103.
  • Bonding layer 108 is disposed on the support member 105.
  • the carrier element 105 is realized for example as a continuous carrier plate.
  • a membrane layer 101 is arranged on the second connection layer 109.
  • the membrane layer 101 functions as a diaphragm in portions at the positions connected to the piezoelectric ultrasonic transducers 103 through the second interconnection layer 109, that is, as shown in FIG. H. at the points where the ultrasonic waves are generated.
  • the membrane layer 101 is preferably more flexible or elastic at these locations.
  • Ultrasonic transducers 103 are connected, for example via an adhesive connection to the common array membrane.
  • Ultrasonic transducers 103 are arranged between the membrane layer 101 and the carrier element 105 such that first intermediate spaces 106 are formed.
  • the first spaces 106 are at least partially with a
  • FIG. 2 shows a sound transducer arrangement 200 with a structured sound
  • Membrane layer 201 in a sectional view in the x-z direction.
  • the remaining structure of the sound transducer assembly 200 corresponds to the structure of
  • the membrane layer 201 has different layer thicknesses in certain regions.
  • a first region 210 has a greater layer thickness than a second region 211. The first regions
  • the 210 are disposed above the piezoelectric ultrasonic transducers 203, i. H. the structuring is matched to the position of the piezoelectric ultrasonic transducers 203 in the acoustic transducer arrangement 200.
  • the structured membrane side preferably faces the piezoelectric ultrasonic transducers 203.
  • the first regions 210 are connected to the piezoelectric ultrasonic transducers 203 by means of the second connection layer 209. A horizontal spread of the first regions 210 in the illustrated
  • Cutting plane may be larger, smaller or equal to a horizontal spread of the piezoelectric ultrasonic transducer 203.
  • the second regions 211 are disposed between the piezoelectric ultrasonic transducers 203 and preferably have a smaller horizontal spread than the first regions 210.
  • the second regions 211 serve to reduce the
  • piezoelectric ultrasonic transducer 203 piezoelectric ultrasonic transducer 203.
  • the layer thickness of the membrane layer 101 and 201 is preferably between 50 ⁇ - 750 ⁇ . Such a layer thickness causes sufficient
  • FIG. 3 shows a sound transducer arrangement 300 with transducer heads 312 in a sectional view in the xz direction.
  • the transducer heads are disposed between the piezoelectric ultrasonic transducers 303 and the diaphragm layer 301.
  • the remainder of the construction of the acoustic transducer assembly 300 corresponds to the construction of the acoustic transducer assembly 100 of FIG. 1.
  • Each transducer head 312 is associated with a piezoelectric ultrasonic transducer 303 and substantially defines by its cross-section the active area of the piezoelectric transducer Ultrasonic transducer 303 with respect to sound recording and sound output.
  • the transducer heads 312 have a high modulus of elasticity, at least 1000 N / mm, and act as a mass. In conjunction with the piezoelectric
  • Ultrasonic transducers 303 which represent the resilient element, result in a spring-mass system which is applied to the carrier element.
  • Resonant frequency of this spring-mass system thus determines the frequency of the transducer array, the frequency of the transducer array is in particular between 20 kHz - 150 kHz.
  • Membrane layer 301 is preferably smaller than the layer thickness of
  • Membrane layer thickness is due to the composite with the additional
  • the layer thickness is between 50 ⁇ - 500 ⁇ , preferably between 70 ⁇ - 300 ⁇ .
  • Membrane layer thickness further improves the mobility or resilience of the membrane layer. In comparison with the membrane layers 101 and 201, this results in a lower rigidity of the membrane layer 301, which further reduces the crosstalk between the transducer elements.
  • FIG. 4 shows a sound transducer arrangement 401 with a plurality of support elements 405 in a sectional view in the x-z direction, each piezoelectric
  • Ultrasonic transducer 403 is assigned a separate carrier element.
  • the remaining structure of the sound transducer assembly 400 corresponds to the structure of
  • the support members 405 are spaced from each other. These distances form second
  • Gaps 413 The second spaces are at least partially with
  • the sound transducer assembly 400 is characterized by the
  • Membrane layer 401 and the potting stabilized with damping material.
  • the damping material also encloses the back of the back mass elements.
  • FIG. 5 shows a sound transducer arrangement 500 with a plurality of carrier elements 505 in a sectional view in the xz direction. It is each carrier element 505 associated with a piezoelectric ultrasonic transducer 503. The rest
  • Structure of the transducer assembly 500 corresponds to the structure of
  • the second spaces 413 and 513 between the carrier elements have a size of 1/100 to 1/3 of the center distances of the directly adjacent carrier elements 405 and 505.
  • the first connection layer 108, 208, 308, 408, 508 includes a first one
  • Adhesive and the second bonding layer 109, 209, 309, 409, 509 a second adhesive.
  • they are different adhesives, but they may also be the same, preferably not electrically conductive.
  • Selection of the adhesive is determined by the suitability of the adhesive for the
  • Material pairings influenced. For example, an epoxy resin or silicone based adhesive may be used. Just in case an electrical connection is required, a conductive adhesive must be used.
  • the membrane layers 101, 201, 301, 401, 501 at least partially a metal layer 102, 202, 302, 402, 502, which serves for EMC shielding.
  • the metal layer 102, 202, 302, 402, 502 is preferably disposed within the membrane layer 101, 201, 301, 401, 501, but may also be the
  • Metal layer 102, 202, 302, 402, 502 is disposed on the membrane layer 101, 201, 301, 401, 501.
  • the metal layer 102, 202, 302, 402, 502 is continuous.
  • the membrane layer 101, 201, 301, 401, 501 is a Kunststoffofffolie comprising, for example, polyimide.
  • the membrane layer 101, 201, 301, 401, 501 is a composite material, the plastic and metal or a
  • Carbon fiber fabric and resin has.
  • the support members 105, 205, 305, 405, 505 have a high rigidity and a high density, whereby sluggish elements are realized. They are made of metal, z. As aluminum or copper, metal alloys, z. As steel or Brass, or ceramics, also metallized ceramics.
  • the layer thickness of the carrier elements 105, 205, 305, 405, 505 is substantially between 1 mm - 20 mm, in particular between 4 mm - 10 mm. The range between 4 mm - 10 mm is particularly suitable to realize the necessary rigidity for supporting the piezoelectric ultrasonic transducer and limits the
  • the shape of the base surfaces of the piezoelectric ultrasonic transducers 103, 203, 303, 403, 503, the transducer heads 312 and 412, and the first regions 210 and 510 of the membrane layers 201 and 501 preferably have one
  • the shapes of the bases of the stacked piezoelectric ultrasonic transducers 103, 203, 303, 403, 503, the transducer heads 312 and 412, and the first regions 210 and 510 of the membrane layers 201 and 501 are similar.
  • Base areas can be different.
  • the shapes of the bases of the stacked piezoelectric ultrasonic transducers 103, 203, 303, 403, 503, the transducer heads 312 and 412, and the first regions 210 and 510 of the membrane layers 201 and 501 are different.
  • a piezoelectric ultrasonic transducer 303 and 403 having a round basic shape is combined with a transducer head 312 and 412 having a square basic shape.
  • the sound transducer assemblies 100, 200, 300, 400, 500 comprise 2 - 250, preferably 5 - 50 piezoelectric ultrasonic transducers 103, 203, 303, 403, 503, in particular layer transducers or stack transducers forming a transducer array.
  • Ultrasonic transducer 103, 203, 303, 403, 503 is for example linear, round, square, matrix-shaped or oval, as described in DE 102013207823 AI.
  • 18 piezoelectric ultrasonic transducers 103, 203, 303, 403, 503 are arranged to form a transducer array.
  • the ultrasonic transducers are not limited to layer converters or stack converters.
  • the acoustic transducer assemblies can be used, for example, in motor vehicles for parking and maneuvering. Furthermore, the acoustic transducer assemblies can be used, for example, in motor vehicles for parking and maneuvering. Furthermore, the acoustic transducer assemblies can be used, for example, in motor vehicles for parking and maneuvering. Furthermore, the acoustic transducer assemblies can be used, for example, in motor vehicles for parking and maneuvering. Furthermore, the

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Abstract

Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) mit mindestens zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern (103, 203, 303, 403, 503), wobei jeder piezoelektrische Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) eine erste Seite umfasst, die eine erste Verbindungsschicht (108, 208, 308, 408, 508) aufweist und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite umfasst, die eine zweite Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) aufweist, wobei die erste Verbindungsschicht (108, 208, 308, 408, 508) auf einem Trägerelement (105, 205, 305) angeordnet ist, wobei oberhalb der zweiten Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) eine Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) angeordnet ist, die bereichsweise als Membran fungiert, wobei zwischen zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern (103, 203, 303, 403, 503), dem Trägerelement (105, 205, 305) und der Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) erste Zwischenräume (106, 206, 306, 406, 506) sind und Dämpfungsmaterial die ersten Zwischenräume (106, 206, 306, 406, 506) mindestens teilweise verfüllt.

Description

Beschreibung
ULTRASCHALLWANDLERANORDNUNG
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung mit mindestens zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern.
Die Schrift DE 30 20 872 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallschichtwandlern, bei denen eine Piezokeramik und thermoplastisches Kunstoffmaterial durch Heißverkleben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung der für das Verkleben notwendigen Wärmezufuhr wird in der Piezokeramik durch Anlegen elektrischer Signale Verlustwärme produziert.
In der Schrift DE 10 2008 049 788 AI ist ein Ultraschallschichtwandler gezeigt, bei dem übereinander gestapelte Piezoelemente auf einer ersten Oberfläche eine erste Elektrodenschicht und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Elektrodenschicht aufweisen. In Stapelrichtung orientierte Anschlüsse werden wahlweise durch die erste oder die zweite Elektrodenschicht kontaktiert. Durch matrixförmig auf einem gemeinsamen Träger angeordnete Schichtwandler kann ein Ultraschallarray hergestellt werden. Nachteilig ist hierbei, dass die einzelnen Schichtwandler äußeren Einflüssen, sowohl mechanischer als auch elektrischer Art, ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die einzelnen Ultraschallwandler gegen äußere Einflüsse zu schützen.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Schallwandleranordnung weist mindestens zwei piezoelektrische Ultraschallwandler auf, d. h. die Schallwandleranordnung ist als Schallwandlerarray ausgestaltet. Die Ultraschallwandler sind vorzugsweise Schichtwandler oder Stapelwandler. Dabei umfasst jeder piezoelektrische Ultraschallwandler eine erste Seite, die eine erste Verbindungsschicht aufweist. Eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite weist eine zweite
Verbindungsschicht auf. Die erste Verbindungsschicht ist auf einem
Trägerelement angeordnet. Oberhalb der zweiten Verbindungsschicht ist eine Membranschicht angeordnet, die bereichsweise als Membran fungiert. Die Membranschicht fungiert vorzugsweise an den Stellen als Membran, die oberhalb der piezoelektrischen Ultraschallwandler angeordnet sind. Durch die Anordnung der piezoelektrischen Ultraschallwandler, der Trägerplatte und der Membranschicht bilden sich Zwischenräume. Die Zwischenräume sind mindestens teilweise mit Dämpfungsmaterial verfüllt. Benachbart angeordnete piezoelektrische Ultraschallwandler weisen einen Abstand von typischerweise weniger als einer halben Luftschallwellenlänge auf, wobei die einzelnen
Abstände gleich groß oder unterschiedlich groß gewählt werden können.
Der Vorteil ist hierbei, dass die einzelnen Ultraschallwandler bzw. Schichtwandler oder Stapelwandler gegenüber äußeren Einflüssen geschützt sind, da sie von einer einzigen Schicht, nämlich der Membranschicht, verdeckt bzw. bedeckt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Befestigung der
piezoelektrischen Ultraschallwandler zwischen Trägerelement und
Membranschicht die geometrische Anordnung der Ultraschallwandler im
Schallwandlerarray sowie deren schwingungsmechanische Einspannung definiert.
In einer Weiterbildung weist die Membranschicht eine Strukturierung auf, sodass die Membranschicht erste Bereiche und zweite Bereiche aufweist. Die Dicke der ersten Bereiche ist größer als die Dicke der zweiten Bereiche. Die ersten
Bereiche sind oberhalb der piezoelektrischen Ultraschallwandler angeordnet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die gegenseitige schwingungsmechanische
Beeinflussung der piezoelektrischen Ultraschallwandler gering ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der zweiten Verbindungsschicht und der Membranschicht ein Wandlerkopf angeordnet, wobei dessen Fläche eine aktive Fläche des piezoelektrischen Ultraschallwandlers bestimmt. Unter aktiver Fläche wird dabei die Fläche verstanden über die die Schallaufnahme bzw. Schallabgabe erfolgt.
Der Vorteil ist hierbei, dass in Abhängigkeit der Fläche des Wandlerkopfs die Richtcharakteristik des Schallsendens bzw. Schallempfangs der
Schallwandleranordnung eingestellt wird. Außerdem bestimmt die Größe der Fläche des Wandlerkopfs die Schallsendestärke bzw. die
Schallempfangsempfindlichkeit wesentlich mit.
In einer Weiterbildung weist die Membranschicht mindestens teilweise
Metallschicht auf. Die Metallschicht ist vorzugsweise innerhalb der
Membranschicht angeordnet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine EMV-Schirmung der Schallwandleranordnung auf einfache Weise realisierbar ist, wenn die Metallschicht an eine elektrische Masse angeschlossen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Verbindungsschicht einen ersten Klebstoff und/oder die zweite Verbindungschicht einen zweiten Klebstoff auf. Dabei weist der erste Klebstoff vorzugsweise andere Klebeeigenschaften auf als der zweite Klebstoff. Der erste Klebstoff erzeugt vorzugsweise eine starre Verbindung, damit der piezoelektrische Ultraschallwandler fest mit dem
Trägerelement verbunden ist. Der zweite Klebstoff erzeugt vorzugsweise Verbindungen, die elastischer sind. Die Klebungen realisieren die
schwingungsmechanische Ankopplung an Trägerelement und Membran. Der Vorteil ist hierbei, dass zur Herstellung der Schallwandleranordnung einfache
Aufbau- und Verbindungstechniken verwendet werden.
In einer Weiterbildung sind elektrische Kontakte auf dem Trägerelement angeordnet, die die piezoelektrischen Ultraschallwandler mit dem Trägerelement elektrisch verbinden. ln einer weiteren Ausgestaltung sind die elektrischen Kontakte als Kontaktfedern ausgestaltet, sodass die Kontaktfedern die piezoelektrischen Ultraschallwandler einklemmen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Kontaktierung der piezoelektrischen
Wandlerelemente einfach und robust ist.
In einer Weiterbildung weist jeder piezoelektrische Ultraschallwandler ein eigenes Trägerelement auf, wobei die einzelnen Trägerelemente beabstandet voneinander angeordnet sind, sodass sich zweite Zwischenräume bilden.
Der Vorteil ist hierbei, dass die piezoelektrischen Ultraschallwandler gegenseitig eine größere schwingungsmechanische Entkopplung aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung verfüllt Dämpfungsmaterial mindestens teilweise die zweiten Zwischenräume.
In einer Weiterbildung stellt die Dicke der einzelnen Trägerelemente den Frequenzbereich der Schallwandleranordnung ein.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Frequenzen der einzelnen piezoelektrischen Ultraschallwandler individuell einstellbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Dämpfungsmaterial Silikon auf.
In einer Weiterbildung ist die Membranschicht rund oder elliptisch oder quadratisch oder rechteckig oder vieleckig ausgestaltet.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Membranschicht an einen Einbauort der Schallwandleranordnung anpassbar ist.
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:
Figur 1 eine Schallwandleranordnung mit piezoelektrischen
Ultraschallwandlern, einer Membranschicht und einem
Trägerelement, Figur 2 eine Schallwandleranordnung mit piezoelektrischen
Ultraschallwandlern, einer strukturierten Membranschicht und einem Trägerelement,
Figur 3 eine Schallwandleranordnung mit piezoelektrischen
Ultraschallwandlern, einer Membranschicht, Wandlerköpfen und einem Trägerelement,
Figur 4 eine Schallwandleranordnung mit piezoelektrischen
Ultraschallwandlern, einer Membranschicht, Wandlerköpfen und mehreren Trägerelementen, und
Figur 5 eine Schallwandleranordnung mit piezoelektrischen
Ultraschallwandlern, einer strukturierten Membranschicht und mehreren Trägerelementen.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung in x-z-Richtung einer
Schallwandleranordnung 100 mit drei beispielhaft angeordneten
piezoelektrischen Ultraschallwandlern 103, die ein Schallwandlerarray bilden. Das Schallwandlerarray kann dabei beliebige geometrische Grundformen der Schallwandlerpositionierungen annehmen, vorzugsweise linienförmig, matrixförmig oder oval. Die Ultraschallwandler 103 sind vorzugsweise
Schichtwandler bzw. Stapelwandler. Der Abstand zwischen den
piezoelektrischen Ultraschallwandlern 103 beträgt vorzugsweise weniger als eine halbe Luftschallwellenlänge. Der Ultraschallwandler 103 besteht aus
piezoelektrischem Material, das in mehreren Schichten angeordnet ist. Die piezoelektrischen Schichten sind jeweils durch elektrisch leitfähige Schichten unterbrochen, z. B. Metall. Diese elektrisch leitfähigen Schichten bilden jeweils Elektroden für die Piezobereiche. Die Elektroden 104 sind für eine elektrische Kontaktierung auf elektrisch leitfähige Flächen seitlich des Ultraschallwandlers 103 herausgeführt, wobei die elektrisch leitfähigen Flächen entlang der
Stapelrichtung der einzelnen Schichten des piezoelektrischen
Ultraschallwandlers 103 angeordnet sind. Die piezoelektrischen
Ultraschallwandler 103 sind beispielsweise durch auf einem Trägerelement 105 angeordnete elektrische Kontakte 107 mit Leiterbahnen verbunden, die in oder auf dem Trägerelement 105 angeordnet sind und beispielsweise zu einer Verstärkerelektronik führen. Die elektrischen Kontakte 107 sind mit den
Elektroden 104 des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 103 durch Löten, Leitkleben, Bonden oder Thermokompressionsschweißen verbunden. Alternativ sind auf dem Trägerelement 105 federnde Kontaktflächen, z. B. Kontaktfedern, angeordnet, die die piezoelektrischen Ultraschallwandler 103 einklemmen, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Jeder piezoelektrische
Ultraschallwandler 103 weist eine erste Verbindungsschicht 108 und eine zweite Verbindungsschicht 109 auf. Die beiden Verbindungsschichten 108 und 109 sind auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 103 im Wesentlichen im rechten Winkel zur Stapelrichtung der einzelnen Schichten des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 103 angeordnet. Die erste
Verbindungsschicht 108 ist auf dem Trägerelement 105 angeordnet. Das Trägerelement 105 ist beispielsweise als durchgehende Trägerplatte realisiert. Auf der zweiten Verbindungsschicht 109 ist eine Membranschicht 101 angeordnet. Die Membranschicht 101 fungiert bereichsweise an den Stellen als Membran, die über die zweite Verbindungschicht 109 mit den piezoelektrischen Ultraschallwandlern 103 verbunden sind, d. h. an den Stellen an denen die Ultraschallwellen erzeugt werden. Die Membranschicht 101 ist an diesen Stellen vorzugsweise beweglicher bzw. elastischer. Die piezoelektrischen
Ultraschallwandler 103 sind beispielsweise über eine Klebeverbindung an die gemeinsame Array-Membran angeschlossen. Die piezoelektrischen
Ultraschallwandler 103 sind so zwischen der Membranschicht 101 und dem Trägerelement 105 angeordnet, dass sich erste Zwischenräume 106 bilden. Die ersten Zwischenräume 106 sind mindestens teilweise mit einem
Dämpfungsmaterial gefüllt, beispielsweise silikonbasiert. Figur 2 zeigt eine Schallwandleranordnung 200 mit einer strukturierten
Membranschicht 201 in einer Schnittdarstellung in x-z-Richtung. Der restliche Aufbau der Schallwandleranordnung 200 entspricht dem Aufbau der
Schallwandleranordnung 100 aus Figur 1. Die Membranschicht 201 weist bereichsweise unterschiedliche Schichtdicken auf. Ein erster Bereich 210 weist eine größere Schichtdicke auf als ein zweiter Bereich 211. Die ersten Bereiche
210 sind oberhalb der piezoelektrischen Ultraschallwandler 203 angeordnet, d. h. die Strukturierung ist auf die Position der piezoelektrischen Ultraschallwandler 203 in der Schallwandleranordnung 200 abgestimmt. Dabei ist vorzugsweise die strukturierte Membranseite den piezoelektrischen Ultraschallwandlern 203 zugewandt. Die ersten Bereiche 210 sind mittels der zweiten Verbindungsschicht 209 mit den piezoelektrischen Ultraschallwandlern 203 verbunden. Eine horizontale Ausbreitung der ersten Bereiche 210 in der dargestellten
Schnittebene kann größer, kleiner oder gleich groß sein wie eine horizontale Ausbreitung der piezoelektrischen Ultraschallwandler 203. Die zweiten Bereiche
211 sind zwischen den piezoelektrischen Ultraschallwandlern 203 angeordnet und haben vorzugsweise eine geringere horizontale Ausbreitung als die ersten Bereiche 210. Die zweiten Bereiche 211 dienen zur Reduzierung der
schwingungsmechanischen Kopplungen zwischen den einzelnen
piezoelektrischen Ultraschallwandler 203.
Die Schichtdicke der Membranschicht 101 und 201 liegt vorzugsweise zwischen 50 μηι - 750 μηι. Eine solche Schichtdicke bewirkt eine ausreichende
Schutzwirkung gegen äußere, z.B. mechanische Einwirkungen, und zugleich eine ausreichende Beweglichkeit bzw. Nachgiebigkeit der Membranschicht für eine gute Schallabstrahlung und einen guten Schallempfang.
Figur 3 zeigt eine Schallwandleranordnung 300 mit Wandlerköpfen 312 in einer Schnittdarstellung in x-z-Richtung. Die Wandlerköpfe sind zwischen den piezoelektrischen Ultraschallwandlern 303 und der Membranschicht 301 angeordnet. Der restliche Aufbau der Schallwandleranordnung 300 entspricht dem Aufbau der Schallwandleranordnung 100 aus Figur 1. Jeder Wandlerkopf 312 ist einem piezoelektrischen Ultraschallwandler 303 zugeordnet und definiert durch seinen Querschnitt wesentlich die aktive Fläche des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 303 in Bezug auf Schallaufnahme bzw. Schallabgabe. Die Wandlerköpfe 312 weisen ein hohes Elastizitätsmodul auf, mindestens 1000 N/mm und wirken als Masse. In Verbindung mit den piezoelektrischen
Ultraschallwandlern 303, die das federnde Element repräsentieren, ergibt sich ein Feder- Masse-System, das auf dem Trägerelement aufgebracht ist. Die
Resonanzfrequenz dieses Feder- Masse-Systems bestimmt somit die Frequenz des Schallwandlerarrays, wobei die Frequenz des Schallwandlerarrays insbesondere zwischen 20 kHz - 150 kHz liegt. Die Schichtdicke der
Membranschicht 301 ist vorzugsweise kleiner als die Schichtdicke der
Membranschichten 101 und 201. Das Verwenden der reduzierten
Membranschichtdicke ist aufgrund des Verbundes mit den zusätzlichen
Wandlerköpfen möglich. Die Schichtdicke liegt zwischen 50 μηι - 500 μηι, vorzugsweise zwischen 70 μηι - 300 μηι. Die Reduzierung der
Membranschichtdicke verbessert die Beweglichkeit bzw. Nachgiebigkeit der Membranschicht weiter. Im Vergleich mit den Membranschichten 101 und 201 geht damit eine geringere Steifigkeit der Membranschicht 301 einher, dies reduziert das Übersprechen zwischen den Wandlerelementen weiter.
Figur 4 zeigt eine Schallwandleranordnung 401 mit mehreren Trägerelementen 405 in einer Schnittdarstellung in x-z-Richtung, wobei jedem piezoelektrischen
Ultraschallwandler 403 ein eigenes Trägerelement zugeordnet ist. Der restliche Aufbau der Schallwandleranordnung 400 entspricht dem Aufbau der
Schallwandleranordnung 300 aus Figur 3. Die Trägerelemente 405 sind beabstandet voneinander angeordnet. Diese Abstände bilden zweite
Zwischenräume 413. Die zweiten Zwischenräume sind mindestens teilweise mit
Dämpfungsmaterial verfüllt. Dadurch entstehen für jeden einzelnen
piezoelektrischen Ultraschallwandler 403 Rückmasseelemente, d. h. träge Massen, auf denen die piezoelektrischen Ultraschallwandler 403 jeweils getrennt aufgebracht sind. Dadurch wird die schwingungsmechanische Entkopplung weiter verbessert. Die Schallwandleranordnung 400 wird durch die
Membranschicht 401 und den Verguss mit Dämpfungsmaterial stabilisiert. Das Dämpfungsmaterial umschließt auch die Rückseite der Rückmasseelemente.
Figur 5 zeigt eine Schallwandleranordnung 500 mit mehreren Trägerelementen 505 in einer Schnittdarstellung in x-z-Richtung. Dabei ist jedem Trägerelement 505 ein piezoelektrischer Ultraschallwandler 503 zugeordnet. Der restliche
Aufbau der Schallwandleranordnung 500 entspricht dem Aufbau der
Schallwandleranordnung 200 aus Figur 2.
In beiden Figuren 4 und 5 weisen die zweiten Zwischenräume 413 und 513 zwischen den Trägerelementen eine Größe von 1/100 bis zu 1/3 der Mittenabstände der direkt benachbarten Trägerelemente 405 und 505 auf.
Die erste Verbindungsschicht 108, 208, 308, 408, 508 umfasst einen ersten
Klebstoff und die zweite Verbindungsschicht 109, 209, 309, 409, 509 einen zweiten Klebstoff. Vorzugsweise handelt es sich um unterschiedliche Klebstoffe, sie können aber auch gleich sein, bevorzugt nicht elektrisch leitfähig. Die
Auswahl des Klebers wird dabei von der Eignung des Klebers für die
Materialpaarungen beeinflusst. Beispielsweise kann ein Epoxyharz- oder Silikonbasierter Kleber zum Einsatz kommen. Nur für den Fall, dass eine elektrische Verbindung erforderlich ist, muss ein Leitkleber verwendet werden.
Optional weisen die Membranschichten 101, 201, 301, 401, 501 mindestens teilweise eine Metallschicht 102, 202, 302, 402, 502 auf, die zur EMV-Schirmung dient. Die Metallschicht 102, 202, 302, 402, 502 ist vorzugsweise innerhalb der Membranschicht 101, 201, 301, 401, 501 angeordnet, kann aber auch die
Membranschicht 101, 201, 301, 401, 501 von oben abschließen, d. h. die
Metallschicht 102, 202, 302, 402, 502 ist auf der Membranschicht 101, 201, 301, 401, 501 angeordnet. Vorzugsweise ist die Metallschicht 102, 202, 302, 402, 502 durchgehend.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Membranschicht 101, 201, 301, 401, 501 eine Kunstofffolie, die beispielsweise Polyimid umfasst.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Membranschicht 101, 201, 301, 401, 501 ein Verbundwerkstoff, der Kunststoff und Metall oder ein
Kohlefasergewebe und Harz aufweist.
Die Trägerelemente 105, 205, 305, 405, 505 weisen eine hohe Steifigkeit und eine hohe Dichte auf, wodurch träge Elemente realisiert werden. Sie bestehen aus Metall, z. B. Aluminium oder Kupfer, Metalllegierungen, z. B. Stahl oder Messing, oder Keramik, auch metallisierten Keramiken. Die Schichtdicke der Trägerelemente 105, 205, 305, 405, 505 liegt im Wesentlichen zwischen 1 mm - 20 mm, insbesondere zwischen 4 mm - 10 mm. Der Bereich zwischen 4 mm - 10 mm ist besonders geeignet, um die notwendige Steifigkeit zur Abstützung der piezoelektrischen Ultraschallwandler zu realisieren und begrenzt das
Übersprechen der Schwingung zwischen den verschiedenen Ultraschallwandlern über das Trägerelement.
Die Form der Grundflächen der piezoelektrischen Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503, der Wandlerköpfe 312 und 412, sowie der ersten Bereiche 210 und 510 der Membranschichten 201 bzw. 501 weisen bevorzugt eine
regelmäßige Form auf, z. B. rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig. In einem Ausführungsbeispiel sind die Formen der Grundflächen der übereinander angeordneten piezoelektrischen Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503, der Wandlerköpfe 312 und 412, sowie der ersten Bereiche 210 und 510 der Membranschichten 201 bzw. 501 gleichartig. Die Größe der
Grundflächen können dabei verschieden sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Formen der Grundflächen der übereinander angeordneten piezoelektrischen Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503, der Wandlerköpfe 312 und 412, sowie der ersten Bereiche 210 und 510 der Membranschichten 201 bzw. 501 verschieden. So ist beispielsweise ein piezoelektrischer Ultraschallwandler 303 und 403, der eine runde Grundform aufweist, mit einem Wandlerkopf 312 und 412, der eine quadratische Grundform aufweist, kombiniert. Ein erster Bereich 210 und 510 der Membranschicht 201 bzw. 501, der eine runde Grundfläche aufweist, ist mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler, der eine quadratische Grundform aufweist, verbunden.
Die Schallwandleranordnungen 100, 200, 300, 400, 500 umfassen 2 - 250, bevorzugt 5 - 50 piezoelektrische Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503, insbesondere Schichtwandler oder Stapelwandler, die ein Schallwandlerarray bilden. Die geometrische Anordnung der einzelnen piezoelektrischen
Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503 ist beispielsweise linienförmig, rund, quadratisch, matrixförmig oder oval, wie in DE 102013207823 AI beschrieben. Vorzugsweise werden 18 piezoelektrische Ultraschallwandler 103, 203, 303, 403, 503 zu einem Schallwandlerarray angeordnet.
Die Ultraschallwandler sind nicht auf Schichtwandler oder Stapelwandler beschränkt.
Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können beliebig kombiniert werden.
Die Schallwandleranordnungen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Parken und Manövrieren eingesetzt werden. Des Weiteren können die
Schallwandleranordnungen in bewegten oder stehenden Maschinen
beispielsweise in Logistiksystemen für Lager eingesetzt werden. Sie können ebenfalls in fahrerlosen Transportsystemen, Robotern, Staubsaugern,
Rasenmähern, elektrischen Rollstühlen und Zweirädern sowie bei der
Unterstützung sehbehinderter oder bewegungsbehinderter Menschen eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) mit mindestens zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern (103, 203, 303, 403, 503),
• wobei jeder piezoelektrische Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) eine erste Seite umfasst, die eine erste Verbindungsschicht (108, 208, 308, 408, 508) aufweist und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite umfasst, die eine zweite Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) aufweist,
• wobei die erste Verbindungsschicht (108, 208, 308, 408, 508) auf einem
Trägerelement (105, 205, 305) angeordnet ist,
• wobei oberhalb der zweiten Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) eine Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) angeordnet ist, die bereichsweise als Membran fungiert,
• wobei zwischen zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern (103, 203, 303, 403, 503), dem Trägerelement (105, 205, 305) und der Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) erste Zwischenräume (106, 206, 306, 406, 506) sind und
Dämpfungsmaterial die ersten Zwischenräume (106, 206, 306, 406, 506) mindestens teilweise verfüllt.
2. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) eine
Strukturierung aufweist, sodass die Membranschicht erste Bereiche und zweite Bereiche aufweist, wobei die Dicke der ersten Bereiche (210, 510) größer ist als die Dicke der zweiten Bereiche (211, 511), wobei die ersten Bereiche (210, 510) oberhalb der piezoelektrischen Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) angeordnet sind.
3. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) und der Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) ein Wandlerkopf (312, 412) angeordnet ist.
4. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) mindestens teilweise eine Metallschicht (102, 202, 302, 402, 502) aufweist.
5. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Verbindungsschicht (108, 208, 308, 408, 508) einen ersten Klebstoff und/oder die zweite Verbindungsschicht (109, 209, 309, 409, 509) einen zweiten Klebstoff aufweist.
6. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Kontakte (107, 207, 307, 407, 507) auf dem Trägerelement (105, 205, 305) angeordnet sind, die die piezoelektrischen Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) mit dem Trägerelement (105, 205, 305) elektrisch verbinden.
7. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (107, 207, 307, 407, 507) als Kontaktfedern ausgestaltet sind, wobei die
Kontaktfedern die piezoelektrischen Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) einklemmen.
8. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Ultraschallwandler (103, 203, 303, 403, 503) ein eigenes Trägerelement (405, 505) aufweist und die Trägerelemente (405, 505) beabstandet zueinander angeordnet sind, sodass sich zweite Zwischenräume (413, 513) bilden.
9. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Dämpfungsmaterial die zweiten Zwischenräume (413, 513) mindestens teilweise verfüllt.
10. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Trägerelemente (405, 505) einen Frequenzbereich der Schallwandleranordnung einstellt.
11. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial Silikon aufweist.
12. Schallwandleranordnung (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (101, 201, 301, 401, 501) rund oder elliptisch oder quadratisch oder rechteckig oder vieleckig ausgestaltet ist.
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