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DE102019218254A1 - Piezoceramic as a raised structure that is defined by a trench with a variable wall slope - Google Patents

Piezoceramic as a raised structure that is defined by a trench with a variable wall slope Download PDF

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DE102019218254A1
DE102019218254A1 DE102019218254.2A DE102019218254A DE102019218254A1 DE 102019218254 A1 DE102019218254 A1 DE 102019218254A1 DE 102019218254 A DE102019218254 A DE 102019218254A DE 102019218254 A1 DE102019218254 A1 DE 102019218254A1
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DE
Germany
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elevation structure
trench
elevation
piezoceramic
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019218254.2A
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German (de)
Inventor
Christoph Meyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
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Publication date
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Abstract

Es ist eine Vorrichtung mit einer Piezokeramik als Erhebungsstruktur gezeigt, wobei die Erhebungsstruktur durch einen Graben definiert ist, wobei die Erhebungsstruktur eine Wand mit einer variablen Wandsteigung aufweist.A device is shown with a piezoceramic as the elevation structure, the elevation structure being defined by a trench, the elevation structure having a wall with a variable wall slope.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Piezokeramik, insbesondere eine Piezokompositkeramik, die mittels additiver Fertigung hergestellt ist.The invention relates to a piezoceramic, in particular a piezocomposite ceramic, which is produced by means of additive manufacturing.

Piezokeramiken werden beispielsweise in (Unterwasser-) Schallempfängern eingesetzt, um Geräusche unter Wasser, beispielsweise Sonarsignale, zu empfangen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Um einen möglichst breitbandigen/empfindlichen Empfänger zu erhalten wurden Piezokompositkeramikelemente geschaffen. Diese werden aus einer Platte aus einer Piezokeramik, d.h. einem piezokeramischen Material, hergestellt. Die Platte (Halbzeug) wird typischerweise mittels eines Sinter-Prozesses hergestellt. In die Platte wird zumindest ein Graben geformt, insbesondere geschnitten bzw. geschliffen. Die Gräben werden dann mit einem Füllmaterial, insbesondere einem Kunststoff, befüllt um die Piezokompositkeramik zu erhalten. Die mit Kunststoff befüllten Gräben bilden dann eine Matrix in der Platte. Das Formen der Gräben in die Platte ist jedoch auf gerade, eindimensionale Schnitte begrenzt, so dass nur gerade Kanten ohne Richtungsänderungen in Schnittrichtung ausgebildet werden können. Dies können senkrechte oder schräge Schnitte sein. Die Schnitte dürfen jedoch keine Richtungswechsel während des Schnittes beinhalten, da das Sägeblatt sonst nicht mehr aus der Piezokeramik, d.h. dem geschnittenen Graben, herausgeführt werden kann. Die Anzahl der möglichen Strukturen ist daher durch den Fertigungsprozess begrenzt, wodurch auch die Empfindlichkeit/Bandbreite der Piezokeramik begrenzt ist.Piezoceramics are used, for example, in (underwater) sound receivers in order to receive underwater noises, for example sonar signals, and to convert them into an electrical signal. Piezocomposite ceramic elements were created in order to obtain the broadest possible / sensitive receiver possible. These are made from a plate made of a piezoceramic, i.e. a piezoceramic material. The plate (semi-finished product) is typically produced by means of a sintering process. At least one trench is formed, in particular cut or ground, in the plate. The trenches are then filled with a filler material, in particular a plastic, in order to obtain the piezocomposite ceramic. The trenches filled with plastic then form a matrix in the plate. However, the shaping of the trenches in the plate is limited to straight, one-dimensional cuts, so that only straight edges can be formed without changes in direction in the cutting direction. These can be vertical or oblique cuts. However, the cuts must not include any change of direction during the cut, as otherwise the saw blade can no longer be guided out of the piezoceramic, i.e. the cut trench. The number of possible structures is therefore limited by the manufacturing process, which also limits the sensitivity / bandwidth of the piezoceramic.

Die Aufgabe besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Piezokeramiken, insbesondere Piezokompositkeramiken zu schaffen.The task is therefore to create an improved concept for piezoceramics, in particular piezocomposite ceramics.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Ausführungsbeispiele zeigen eine Vorrichtung mit einer Piezokeramik als Erhebungsstruktur, wobei die Erhebungsstruktur durch einen Graben definiert ist. Die Erhebungsstruktur weist ferner eine Wand mit einer variablen Wandsteigung auf. Als variable Wandsteigung wird eine solche Steigung bezeichnet, die nicht konstant ist, sich also über eine Ausdehnung (insbesondere Höhe) der Wand verändert. In anderen Worten weist die Wand in einem ersten Abschnitt der Wand eine erste Steigung auf und in einem zweiten Abschnitt der Wand eine zweite Steigung. Insbesondere sind die Abschnitte, in Betrachtungsrichtung von einem Fußpunkt der Erhebungsstruktur, übereinander angeordnet. Insbesondere sollen als erster und zweiter Abschnitt der Wand keine zwei aneinander angrenzenden Wände verstanden werden. Als Merkmal für zwei aneinander angrenzende Wände kann ein unstetiger Übergang von einer Wand zu der anderen Wand angesehen werden, also umgangssprachlich eine Kante. Ferner sind zwei aneinander angrenzende Wände in Betrachtungsrichtung von dem Fußpunkt der Erhebungsstruktur nebeneinander angeordnet. Der Graben wird auch als Freiraum oder Matrixraum bezeichnet. Die Piezokeramik ist ein Bauteil, das ein piezokeramisches Material aufweist. Die Piezokeramik weist die Erhebungsstruktur auf und kann, z.B. zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses, ein Grundelement aufweisen, auf dem die Erhebungsstruktur angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird die Piezokeramik, d.h. insbesondere die Erhebungsstruktur, mittels eines 3D-Druckers hergestellt.Exemplary embodiments show a device with a piezoceramic as the elevation structure, the elevation structure being defined by a trench. The elevation structure also has a wall with a variable wall slope. A slope that is not constant, that is to say changes over an expansion (in particular height) of the wall, is referred to as a variable wall slope. In other words, the wall has a first slope in a first section of the wall and a second slope in a second section of the wall. In particular, the sections are arranged one above the other, in the viewing direction from a base point of the elevation structure. In particular, the first and second sections of the wall are not to be understood as two walls that are adjacent to one another. A discontinuous transition from one wall to the other wall, that is to say an edge in colloquial terms, can be viewed as a feature of two walls that are adjacent to one another. Furthermore, two walls adjoining one another are arranged next to one another in the viewing direction from the base point of the elevation structure. The trench is also referred to as the free space or matrix space. The piezoceramic is a component that has a piezoceramic material. The piezoceramic has the elevation structure and can, e.g., to simplify the manufacturing process, have a base element on which the elevation structure is arranged. The piezoceramic, i.e. in particular the elevation structure, is advantageously produced by means of a 3D printer.

Der Graben kann mit einem Füllmaterial, z.B. einem Kunststoff, gefüllt sein. Als Kunststoff kann ein Polyurethan oder ein Epoxid verwendet werden. Zum Befüllen kann der Kunststoff verflüssigt sein und in dem Graben aushärten. Nach dem Einbringen des Füllmaterials kann das Grundelement entfernt werden, so dass als Piezokeramik die Erhebungsstruktur in dem Füllmaterial zurückbleibt. Die Piezokeramik und das Füllmaterial bilden eine Piezokompositkeramik. Der Graben kann so gewählt sein, dass dieser die Erhebungsstruktur vollständig umschließt. Die Erhebungsstruktur ist dann turmartig ausgestaltet. Die variable Wandsteigung bezieht sich darauf, dass die Steigung der Wand der Erhebungsstruktur nicht konstant ist. Vorteilhafterweise können ferner statt einer Erhebungsstruktur eine Vielzahl von Erhebungsstrukturen ausgebildet sein, die von dem Füllmaterial umschlossen werden, so dass das Füllmaterial mit den Erhebungsstrukturen eine Matrixstruktur ausbildet.The trench can be filled with a filler material such as a plastic. A polyurethane or an epoxy can be used as the plastic. For filling, the plastic can be liquefied and harden in the trench. After the filling material has been introduced, the base element can be removed so that the raised structure remains in the filling material as a piezoceramic. The piezoceramic and the filling material form a piezocomposite ceramic. The trench can be selected such that it completely encloses the raised structure. The elevation structure is then designed like a tower. The variable wall slope refers to the fact that the slope of the wall of the elevation structure is not constant. Advantageously, instead of one elevation structure, a plurality of elevation structures can also be formed, which are enclosed by the filler material, so that the filler material forms a matrix structure with the elevation structures.

Die Idee ist es, durch das additive Fertigen, beispielsweise das Drucken mittels eines 3D-Druckers, der Erhebungsstruktur (d.h. der Piezokeramik), eine größere Variabilität bei der Form der Erhebungsstruktur zu erhalten. Während Sägeverfahren für Wafer, mit denen die Erhebungsstruktur typischerweise erzeugt wird, auf die Kontur des Sägeblattes limitiert sind, sind mittels additiver Fertigung hergestellte Piezokeramiken frei in der Form der Erhebungsstruktur. Eine Erhebungsstruktur mit variabler Wandsteigung kann beispielsweise eine größere Empfindlichkeit aufweisen, als eine Erhebungsstruktur mit konstanter Wandsteigung ohne Richtungswechsel. Beispiele für vorteilhafte Formen der Erhebungsstruktur sind die S-Form oder die Fliegen-Form. Als Fliegen-Form wird eine Erhebungsstruktur bezeichnet, die beabstandet von dem Fußpunkt der Erhebungsstruktur sowie einem höchsten Punkt der Erhebungsstruktur eine Verjüngung aufweist.The idea is to use additive manufacturing, for example printing with a 3D printer, of the elevation structure (i.e. the piezoceramic) to obtain greater variability in the shape of the elevation structure. While sawing processes for wafers, with which the elevation structure is typically produced, are limited to the contour of the saw blade, piezoceramics produced by means of additive manufacturing are free in the shape of the elevation structure. An elevation structure with a variable wall slope can, for example, have a greater sensitivity than an elevation structure with a constant wall slope without a change of direction. Examples of advantageous forms of the elevation structure are the S-shape or the fly-shape. An elevation structure is referred to as a fly shape, which has a taper at a distance from the base point of the elevation structure and a highest point of the elevation structure.

Die Piezokeramik kann ein Grundelement aufweisen, wobei sich die Erhebungsstruktur ausgehend von dem Fußpunkt der Erhebungsstruktur von dem Grundelement erhebt. Als Grundelement wird ein Träger verstanden, auf dem die Erhebungsstrukturen angeordnet sind. Der Träger kann während der Fertigung der Piezokeramik einstückig mit der (oder den) Erhebungsstrukturen gefertigt werden und demnach aus dem gleichen Material bestehen wie die Erhebungsstruktur(en). Wird die Piezokeramik nach der Fertigung mit dem Füllmaterial befüllt, werden die Erhebungsstruktur(en) mittels des Grundelements an ihrem vorbestimmten Platz fixiert. Nach dem Verfüllen kann der Träger dann von der Piezokompositkeramik, d.h. der Matrixstruktur aus Erhebungsstruktur(en) und Füllmaterial, getrennt werden.The piezoceramic can have a base element, with the raised structure rising from the base element starting from the base of the elevation structure. A carrier on which the raised structures are arranged is understood as a basic element. During the manufacture of the piezoceramic, the carrier can be manufactured in one piece with the elevation structure (s) and accordingly consist of the same material as the elevation structure (s). If the piezoceramic is filled with the filling material after production, the raised structure (s) are fixed in their predetermined place by means of the base element. After the filling, the carrier can then be separated from the piezocomposite ceramic, ie the matrix structure made up of the elevation structure (s) and the filling material.

Danach kann die gefertigte Piezokompositkeramik zur weiteren Verwendung auf einem weiteren Träger aufgebracht werden. So können eine Vielzahl von Piezokompositkeramiken auf einem entsprechend geformten Träger zu einem beliebig geformten, beispielsweise (teil-) kugelförmigen oder (teil-) kreisförmigen, Schallwandler, z.B. Hydrophon, angeordnet werden. Dieser Träger weist typischerweise ein von der Piezokeramik verschiedenes Material auf.Thereafter, the manufactured piezocomposite ceramic can be applied to another carrier for further use. A large number of piezocomposite ceramics can be arranged on a correspondingly shaped carrier to form an arbitrarily shaped, for example (part) spherical or (part) circular, sound transducer, e.g. hydrophone. This carrier typically has a material different from the piezoceramic.

Die Piezokeramik weist in Ausführungsbeispielen ferner eine weitere Erhebungsstruktur auf, wobei sich die weitere Erhebungsstruktur von der Erhebungsstruktur unterscheidet. Dennoch gilt für die weitere Erhebungsstruktur das zur Erhebungsstruktur beschriebene analog. Allerdings kann die weitere Erhebungsstruktur beispielsweise die Fliegen-Form aufweisen während die Erhebungsstruktur die S-Form aufweist. Ferner können sowohl die Erhebungsstruktur als auch die weitere Erhebungsstruktur die gleiche Form aufweisen, während eine Stärke (bzw. Dicke) der Erhebungsstruktur, eine Wandsteigung des Grabens oder eine Orientierung der Erhebungsstruktur, wenn diese nicht in alle Richtungen symmetrisch ist, sich unterscheiden. Ferner ist die weitere Erhebungsstruktur beabstandet von der Erhebungsstruktur angeordnet. Insbesondere ist die Erhebungsstruktur mittels des Grabens von der weiteren Erhebungsstruktur getrennt.In exemplary embodiments, the piezoceramic also has a further elevation structure, the further elevation structure differing from the elevation structure. However, the same applies to the rest of the survey structure as described for the survey structure. However, the further elevation structure can have the fly shape, for example, while the elevation structure has the S-shape. Furthermore, both the elevation structure and the further elevation structure can have the same shape, while a strength (or thickness) of the elevation structure, a wall slope of the trench or an orientation of the elevation structure, if it is not symmetrical in all directions, differ. Furthermore, the further elevation structure is arranged at a distance from the elevation structure. In particular, the elevation structure is separated from the further elevation structure by means of the trench.

Es ist ferner eine Piezokompositkeramik mit einer Mehrzahl von Erhebungsstrukturen gezeigt, die jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen, wobei die Erhebungsstruktur eine Wand mit einer variablen Wandsteigung aufweist. Die Erhebungsstrukturen sind zumindest teilweise mit einem Füllmaterial umschlossen.Furthermore, a piezocomposite ceramic with a plurality of elevation structures is shown, each of which has a piezoceramic material, the elevation structure having a wall with a variable wall slope. The elevation structures are at least partially enclosed with a filler material.

Ferner ist ein Schallwandler zum Umwandeln von Unterwasserschallwellen in ein elektrisches Signal gezeigt, der zum Umwandeln der Unterwasserschallwellen die beschriebene Vorrichtung aufweist.Furthermore, a sound transducer for converting underwater sound waves into an electrical signal is shown, which has the device described for converting the underwater sound waves.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zwischenprodukts einer Piezokompositkeramik mit folgenden Schritten offenbart: Additive Fertigung einer Piezokeramik als Erhebungsstruktur, die durch einen Graben definiert ist, Einbringen eines Füllmaterials in den Graben um ein Zwischenprodukt der Piezokompositkeramik zu erhalten. Ein Verfahren zur additiven Fertigung ist der 3D-Druck. Das additive Fertigen kann mittels eines Pulvers eines piezokeramischen Materials erfolgen. Durch die additive Fertigung wird es ermöglicht, Erhebungsstrukturen jeglicher Form zu erzeugen. Insbesondere kann eine Wandsteigung der Erhebungsstruktur, und somit auch des Grabens, eine variable Wandsteigung aufweisen. Die Limitierungen, die Sägeverfahren für Wafer mit sich bringen, entfallen somit. Typischerweise werden mittels der additiven Fertigung eine Vielzahl von Erhebungsstrukturen gleichzeitig gefertigt. Diese können durch ein gemeinsames Grundelement (mechanisch) miteinander verbunden sein. Nach dem Einbringen (und Aushärten) des Füllmaterials kann das gemeinsame Grundelement dann entfernt werden, um die Piezokompositkeramik zu Bilden. Die Verbindung der Grundelemente miteinander übernimmt dann das Füllmaterial. In Ausführungsbeispielen ist das Füllmaterial ein Kunststoff. Dieser kann verflüssigt in den Graben eingebracht werden, wo er dann aushärtet und den Graben vollständig oder zumindest teilweise verfüllt. Der Graben kann eine Matrix bilden. Die Piezokeramik, d.h. insbesondere die Erhebungsstrukturen, mit dem befüllten Graben, bzw. der Matrix, wird auch als Piezokompositkeramik bezeichnet.Furthermore, a method for producing an intermediate product of a piezocomposite ceramic is disclosed with the following steps: additive manufacturing of a piezoceramic as a raised structure which is defined by a trench, introduction of a filler material into the trench in order to obtain an intermediate product of the piezocomposite ceramic. One method of additive manufacturing is 3D printing. The additive manufacturing can take place by means of a powder of a piezoceramic material. Additive manufacturing makes it possible to create elevation structures of any shape. In particular, a wall slope of the elevation structure, and thus also of the trench, can have a variable wall slope. The limitations associated with the sawing process for wafers are thus eliminated. Typically, a large number of elevation structures are manufactured simultaneously using additive manufacturing. These can be (mechanically) connected to one another by a common basic element. After the filling material has been introduced (and hardened), the common base element can then be removed in order to form the piezocomposite ceramic. The connection of the basic elements to one another is then carried out by the filling material. In exemplary embodiments, the filler material is a plastic. This can be liquefied and introduced into the trench, where it then hardens and completely or at least partially fills the trench. The trench can form a matrix. The piezoceramic, i.e. in particular the elevation structures with the filled trench or the matrix, is also referred to as piezocomposite ceramic.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Seitenansicht einer Piezokeramik mit drei Erhebungsstrukturen, die durch einen Graben mit einer variablen Wandsteigung definiert sind;
  • 2: eine schematische Draufsicht der Piezokeramik aus 1; und
  • 3: eine schematische Darstellung eines Schallwandlers in einer seitlichen Schnittdarstellung.
Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 : a schematic side view of a piezoceramic with three elevation structures which are defined by a trench with a variable wall slope;
  • 2 : a schematic plan view of the piezoceramic 1 ; and
  • 3rd : a schematic representation of a sound transducer in a lateral sectional view.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or identically acting elements, objects and / or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that those shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to one another.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 20 von der Seite, 2 von oben in der Draufsicht. Die Vorrichtung umfasst zunächst nur eine Piezokeramik als Erhebungsstrukturen 24a, 24b und 24c auf. Die Erhebungsstrukturen 24, auch als Stäbchen bezeichnet, werden durch einen Graben 26 begrenzt. Grenzfläche zwischen Erhebungsstruktur 24a und Graben 26 bildet eine Wand 28a und eine Wand 28b der Erhebungsstruktur 24a. Entsprechendes gilt für die weiteren Erhebungsstrukturen 24b, 24c. Die Wände 28a, 28b weisen eine variable Wandsteigung auf. Im Fall der Erhebungsstruktur 24a ist die Wand S-Förmig. Die Erhebungsstrukturen 24b, 24c weisen beabstandet von einem Fußpunkt der Erhebungsstruktur sowie einem höchsten Punkt der Erhebungsstruktur eine Verjüngung auf. Die Form der Erhebungsstrukturen 24b, 24c wird auch als Fliegen-Form bezeichnet. Der Fußpunkt der Erhebungsstruktur befindet sich an dem Übergang zwischen Erhebungsstruktur 24a, 24b, 24c und einem Grundelement 30. Das Grundelement 30 kann ebenfalls die Piezokeramik als Material aufweisen. Die Vorrichtung 20 kann demnach als Zwischenprodukt für bei der Fertigung einer Piezokompositkeramik angesehen werden. 1 shows a schematic side view of a device 20th of the page, 2 from above in plan view. The device initially comprises only one piezoceramic as elevation structures 24a, 24b and 24c. The survey structures 24 , also known as chopsticks, are passed through a ditch 26th limited. Interface between elevation structure 24a and trench 26th forms a wall 28a and a wall 28b of the elevation structure 24a. The same applies to the further elevation structures 24b, 24c. The walls 28a, 28b have a variable wall slope. In the case of the elevation structure 24a, the wall is S-shaped. The elevation structures 24b, 24c have a taper at a distance from a base point of the elevation structure and a highest point of the elevation structure. The shape of the elevation structures 24b, 24c is also referred to as a fly shape. The base of the elevation structure is located at the transition between elevation structure 24a, 24b, 24c and a base element 30th . The basic element 30th can also have the piezoceramic material. The device 20th can therefore be viewed as an intermediate product for the manufacture of a piezo composite ceramic.

Der höchste Punkt der Erhebungsstruktur befindet sich in Dickenrichtung an dem gegenüberliegenden Ende des Fußpunkts. An dem höchsten Punkt der Erhebungsstruktur und an dem Fußpunkt können Elektroden zur Kontaktierung der Piezokompositkeramik angeordnet sein. Wenn das Grundelement 30 elektrisch leitend ausgebildet ist, kann die Elektrode statt am Fußpunkt auch an dem Grundelement angeordnet sein.The highest point of the elevation structure is located in the thickness direction at the opposite end of the base point. At the highest point of the elevation structure and at the base point, electrodes for contacting the piezocomposite ceramic can be arranged. If the basic element 30th is designed to be electrically conductive, the electrode can also be arranged on the base element instead of at the base.

Um die Piezokompositkeramik zu erhalten werden die Gräben 26 befüllt und das Grundelement 30 entfernt, insbesondere abgeschnitten. Sind die Gräben 26 befüllt, und das Grundelement aus Piezokeramik entfernt, kann die Piezokompositkeramik auf ein (weiteres) Grundelement als Träger aufgesetzt werden (vgl. 3). Um eine Resonanzfrequenz einzustellen, kann die Piezokompositkeramik ferner in ihrer Höhe, beispielsweise durch Schleifen, angepasst werden.The trenches are used to preserve the piezocomposite ceramic 26th filled and the basic element 30th removed, especially cut off. Are the trenches 26th filled, and the basic element made of piezoceramic removed, the piezocomposite ceramic can be placed on a (further) basic element as a carrier (cf. 3rd ). In order to set a resonance frequency, the height of the piezocomposite ceramic can also be adjusted, for example by grinding.

Der Graben 26 kann ferner mittels eines Füllmaterials, beispielsweise eines Kunstoffs, befüllt, insbesondere vergossen sein (vgl. 3). Nach dem Vergießen wird das Grundelement entfernt, insbesondere abgeschnitten. Die Vorrichtung 20 (mit vergossenen Gräben und entferntem Grundelement) wird dann als Piezokompositkeramik bezeichnet. Typischerweise weist die Vorrichtung 20 ein Array der Erhebungsstrukturen auf. Die einzelnen Erhebungsstrukturen sind dann typischerweise vom gleichen Typ, d.h. weisen die gleiche Form auf. Allerdings kann auch eine Mischung verschiedener Typen von Erhebungsstrukturen oder verschiedene Größen der Erhebungsstrukturen wie in 1 und 2 gezeigt vorteilhaft eingesetzt werden. So kann eine Piezokompositkeramik Erhebungsstrukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen aufweisen, so dass ein Frequenzgang der Piezokompositkeramik individualisiert angepasst, insbesondere geglättet werden kann.The ditch 26th can also be filled, in particular encapsulated, by means of a filler material, for example a plastic (cf. 3rd ). After the casting, the basic element is removed, in particular cut off. The device 20th (with cast trenches and removed base element) is then referred to as piezocomposite ceramic. Typically the device 20th an array of the elevation structures. The individual elevation structures are then typically of the same type, ie have the same shape. However, a mixture of different types of elevation structures or different sizes of elevation structures as in 1 and 2 shown to be used advantageously. Thus, a piezocomposite ceramic can have elevation structures with different resonance frequencies, so that a frequency response of the piezocomposite ceramic can be individually adapted, in particular smoothed.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schallwandlers 32, beispielsweise eines Schallsendewandlers oder eines Hydrophons. Der Schallwandler 32 weist eine Vielzahl der Vorrichtungen 20a, 20b, 20c, 20d auf. Die Vorrichtung 20a weist das Grundelement 30a auf, auf dem die Erhebungsstrukturen 24a, 24'a, 24''a angeordnet sind. Die Vorrichtungen 20b, 20c und 20d sind entsprechend aufgebaut. Zwischen den Erhebungsstrukturen ist das Füllmaterial 34 angeordnet. Wenn Erhebungsstrukturen auf zwei benachbarten Piezokeramiken angeordnet sind, ist dies der schematischen Darstellung und der damit einhergehenden zeichnerischen Ungenauigkeit geschuldet. Statt verschiedene Grundelemente zu verwenden, können die Piezokompositkeramiken auch auf einem gemeinsamen Grundelement angeordnet werden. Das Grundelement ist beispielsweise ausgebildet, Schallwellen schallhart zu reflektieren oder Störwellen zu absorbieren. 3rd shows a schematic representation of a sound transducer 32 , for example a sound transmitter or a hydrophone. The transducer 32 has a plurality of the devices 20a, 20b, 20c, 20d. The device 20a has the base element 30a on which the raised structures 24a, 24'a, 24''a are arranged. The devices 20b, 20c and 20d are constructed accordingly. The filling material is between the elevation structures 34 arranged. If elevation structures are arranged on two adjacent piezoceramics, this is due to the schematic representation and the associated inaccuracy in the drawing. Instead of using different basic elements, the piezocomposite ceramics can also be arranged on a common basic element. The basic element is designed, for example, to reflect hard sound waves or to absorb interference waves.

Der Schallwandler kann eine beliebige Form, beispielsweise kugelförmig, halbkugelförmig, linear, aufweisen. Zur besseren Darstellbarkeit wurde nur eine geringe Anzahl der gezeigten Erhebungsstrukturen gezeigt. Eine Dichte der Erhebungsstrukturen der Piezokompositkeramik liegt beispielsweise bei mehr als 10 Erhebungsstrukturen pro Quadratzentimeter, mehr als 50 Erhebungsstrukturen pro Quadratzentimeter oder mehr als 99 Erhebungsstrukturen pro Quadratzentimeter.The sound transducer can have any shape, for example spherical, hemispherical, linear. For better illustration, only a small number of the survey structures shown were shown. A density of the elevation structures of the piezocomposite ceramic is, for example, more than 10 elevation structures per square centimeter, more than 50 elevation structures per square centimeter or more than 99 elevation structures per square centimeter.

Jede Piezokeramik kann ihre eigene Kontaktierung aufweisen. Ausgangssignal des Schallwandlers kann jedoch ein Summensignal der einzelnen Kontaktierungen sein. Each piezoceramic can have its own contact. The output signal of the sound transducer can, however, be a sum signal of the individual contacts.

Zum Aussenden von Schallwellen können die Kontakte ebenfalls mit der gleichen Spannung, d.h. über der Zeit dem gleichen Spannungsverlauf, beaufschlagt werden.In order to emit sound waves, the same voltage can also be applied to the contacts, i.e. the same voltage curve over time.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in connection with a device, it goes without saying that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously to this, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or features of a corresponding device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is to be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to other skilled persons. It is therefore intended that the invention be limited only by the scope of protection of the following patent claims and not by the specific details presented herein with reference to the description and explanation of the exemplary embodiments.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

2020th
Vorrichtungcontraption
2424
ErhebungsstrukturSurvey structure
2626th
Grabendig
2828
Wandwall
3030th
GrundelementBasic element
3232
SchallwandlerTransducer
3434
Füllmaterialfilling material

Claims (14)

Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Piezokeramik als Erhebungsstruktur, wobei die Erhebungsstruktur durch einen Graben definiert ist, wobei die Erhebungsstruktur eine Wand mit einer variablen Wandsteigung aufweist.Device with the following features: a piezoceramic as an elevation structure, the elevation structure being defined by a trench, the elevation structure having a wall with a variable wall slope. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Graben mit einem Füllmaterial gefüllt ist.Device according to Claim 1 , wherein the trench is filled with a filler material. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Graben derart gewählt ist, dass dieser die Erhebungsstruktur vollständig umschließt.Device according to one of the preceding claims, wherein the trench is selected in such a way that it completely encloses the elevation structure. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Grundelement aufweist, wobei sich die Erhebungsstruktur ausgehend von einem Fußpunkt der Erhebungsstruktur von dem Grundelement erhebt.Device according to one of the preceding claims, wherein the device has a base element, the elevation structure rising from the base element starting from a base point of the elevation structure. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Erhebungsstruktur eine S-Form ausbildet.Device according to one of the preceding claims, wherein the elevation structure forms an S-shape. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Erhebungsstruktur beabstandet von einem Fußpunkt der Erhebungsstruktur sowie einem höchsten Punkt der Erhebungsstruktur eine Verjüngung aufweist.Device according to one of the preceding claims, wherein the elevation structure has a taper at a distance from a base point of the elevation structure and a highest point of the elevation structure. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Piezokeramik eine weitere Erhebungsstruktur aufweist, wobei sich die weitere Erhebungsstruktur in ihrer Form von der Erhebungsstruktur unterscheidet.Device according to one of the preceding claims, wherein the piezoceramic has a further elevation structure, wherein the further elevation structure differs in its shape from the elevation structure. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Wand in einem ersten Abschnitt der Wand eine erste Steigung aufweist und in einem zweiten Abschnitt der Wand eine zweite Steigung aufweist.Device according to one of the preceding claims, wherein the wall has a first slope in a first section of the wall and has a second slope in a second section of the wall. Piezokompositkeramik mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Erhebungsstrukturen, die jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen; einem Füllmaterial, das die Erhebungsstrukturen zumindest teilweise umschließt; wobei die Erhebungsstruktur eine Wand mit einer variablen Wandsteigung aufweist.Piezo composite ceramics with the following features: a plurality of bump structures each comprising a piezoceramic material; a filler material which at least partially encloses the elevation structures; wherein the elevation structure has a wall with a variable wall slope. Schallwandler zum Umwandeln von Unterwasserschallwellen in ein elektrisches Signal, wobei der Schallwandler die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder die Pieozokompositkeramik gemäß Anspruch 9 aufweist.Sound transducer for converting underwater sound waves into an electrical signal, the sound transducer comprising the device according to one of the Claims 1 to 8th or the pieozocomposite ceramic according to Claim 9 having. Verfahren zur Herstellung eines Zwischenprodukts einer Piezokompositkeramik mit folgenden Schritten: Additive Fertigung einer Piezokeramik als Erhebungsstruktur, die durch einen Graben definiert ist, Einbringen eines Füllmaterials in den Graben um ein Zwischenprodukt der Piezokompositkeramik zu erhalten.Process for the production of an intermediate product of a piezocomposite ceramic with the following steps: Additive manufacturing of a piezoceramic as a raised structure that is defined by a trench, Introducing a filler material into the trench in order to obtain an intermediate product of the piezocomposite ceramic. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Füllmaterial ein Kunststoff ist.Procedure according to Claim 11 , wherein the filling material is a plastic. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Graben eine variable Wandsteigung aufweist.Method according to one of the Claims 11 or 12th , wherein the trench has a variable wall slope. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, mit Entfernen eines Grundelements von der Erhebungsstruktur um die Piezokompositkeramik zu erhalten.Method according to one of the Claims 11 to 13th , with removal of a basic element from the elevation structure in order to preserve the piezocomposite ceramic.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1384525A2 (en) * 2002-07-22 2004-01-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Composite piezoelectric transducer and method of fabricating the same
DE102004012033A1 (en) * 2003-03-12 2004-10-21 Denso Corp., Kariya Laminated piezoelectric element

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