DE102013223979A1

DE102013223979A1 - Elektroaktive Schallwandlerfolie mit strukturierter Oberfläche

Info

Publication number: DE102013223979A1
Application number: DE102013223979.3A
Authority: DE
Inventors: Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-06-11
Also published as: JP6478584B2; US9832572B2; US20150146895A1; FR3013935B1; JP2015104134A; FR3013935A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektroaktive Schallwandlerfolie umfassend einen Folienverbund aus mindestens einer Trägerfolie, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer, wobei die Oberfläche der Schallwandlerfolie eine Strukturierung mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektroaktive Schallwandlerfolie umfassend einen Folienverbund aus mindestens einer Trägerfolie, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer, wobei die Oberfläche der Schallwandlerfolie eine Strukturierung mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert.
Stand der Technik
Gängige elektrodynamische Schallwandler-Konzepte nutzen meist Membranen, welche zentral mit einer elektromagnetischen Schwingspule verbunden sind und entweder durch Stromfluss induzierte Lorentzkräfte oder Luftbewegungen in Schwingungen versetzt werden. Je nach Betriebsart erfolgt dabei die Umwandlung eines elektrischen Stromes in mechanische Bewegung oder die Umwandlung einer Membranbewegung in einen elektrischen Strom. Durch diese Aufbauformen sind zum Beispiel Tauchspulen-Lautsprecher oder Mikrofone erhältlich, welche sich heutzutage durch hohe Schallstärke und natürliche Klangwiedergabe auszeichnen.
Durch die Aufhängung der Membran und die spezielle elektrodynamische Kopplung mittels eines Magneten ergeben sich jedoch bestimmte Bautiefen und Schwingungscharakteristika, welche sich nicht für jede Aufbau- und Anwendungssituation eignen. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahrzehnten auch Schallwandler entwickelt, welche nicht auf einer Membran-Spulen-Magnet- Kombination basieren, sondern zur Schallumwandlung piezoelektrische Effekte nutzen. Diese Schallwandler weisen elektroaktive Keramiken oder Kunststoffe auf und ermöglichen eine direkte Schallwandlung durch die Änderungen der makroskopischen Schallwandlerdimensionen als Funktion eines elektrischen Feldes. So führt zum Beispiel das Anlegen einer elektrischen Spannung an eine piezoelektrische Membran oder Folie zu einer Änderung der Längen-(d31) und Dickenausdehnung (d33). Besonders durch den d31-Effekt resultiert eine Durchbiegung der Schicht, welche sich effektiv zur Schallabstrahlung nutzen lässt. Umgekehrt führt eine mechanische Belastung zu einer elektrischen Ladungsverschiebung innerhalb der Schicht, welche generell zur Schalldetektion verwendet werden kann. Diese piezoelektrischen Schallwandler benötigen nur sehr geringe Auslenkungen. Im Falle von Lautsprechen liegen die Auslenkungen typischerweise im Bereich von einigen hundert µm, wohingegen die Auslenkungen im Bereich von Mikrophonanwendungen bei nur einigen µm bis hin zu wenigen nm oder pm liegen. Die Auslenkungen hängen sowohl bei Lautsprechern wie auch bei Mikrofonen stark von der Frequenz ab. Bei höheren Frequenzen treten kleinere Auslenkungen auf als bei tieferen Frequenzen. Durch diese Randbedingungen lassen sich insbesondere Folienwandler mit einem nur sehr geringen Abstand zu anderen Oberflächen realisieren, welche mit den gängigen, elektromagnetischen Membran-Spulen-Systemen bisher nicht zugänglich waren.
Eine mögliche Ausführungsform für ungewöhnliche Wandlergeometrien offenbart beispielsweise die US 4,638,207 A , welche die Verwendung eines piezoelektrischen Polymers auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF) zur Herstellung ballonförmiger Lautsprecher beschreibt. Hierbei werden PVDF-Streifen, welche zwischen einer äußeren und inneren Beschichtung eingebettet sind, auf einen Ballon aufgebracht, oder der Ballon selbst wird aus solchen Streifen gebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung beschreibt die DE 10 2010 043 108 A1 einen piezoelektrischen Schallwandler unter Verwendung eines piezoelektrischen Kunststoffmaterials. Insbesondere ist ein Schallwandler beschrieben, welcher im Wesentlichen aus einer Trägerschicht und einer darauf angebrachten Schicht eines piezoelektrischen Kunststoffträgers aufgebaut ist, wobei die piezoelektrische Kunststoffschicht die Trägerschicht nicht vollständig abdeckt, sondern Ausnehmungen aufweist.
Die Konzeption möglichst effektiver und sicherer piezoelektrischer Wandler erfordert aber bisher einen Kompromiss bei der Befestigung der Wandlerfolien. Ein vollflächiges, direktes Fixieren der Wandlerfolien auf Oberflächen, zum Beispiel durch Aufkleben, führt zu einer sicheren Befestigung des Wandlers, resultiert aber in einer sehr starken Behinderung der Auslenkbarkeit, welches sich nachteilig auf die Wandler-Effektivität auswirkt. Aus diesem Grund werden, zum Erhalt eines möglichst ungehinderten Schwingungsverhaltens, die elektroaktiven Folien als Verbund auf einer flexiblen Trägerfolie angeordnet und der Verbund an seinen Rändern mechanisch gehalten. Dies ermöglicht Aufbauten, in welchen der Verbund hinreichend mechanisch fixiert und somit stabilisiert ist und ansonsten frei schwingen kann. Dies führt zu einer günstigen Abstrahl- oder Empfangscharakteristik, verringert jedoch insgesamt die mechanische Belastbarkeit des Wandlers an den nicht befestigten Stellen und ist insofern nachteilig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektroaktive Schallwandlerfolie bereitzustellen, welche ein gutes Schwingungsverhalten aufweist und welche sich, bedingt durch ihren Aufbau und Geometrie, einfach und sicher auf unterschiedlichsten Oberflächengeometrien befestigen lässt, ohne dass die Schwingungseigenschaften der Folie zu stark beeinträchtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wurde gefunden, dass eine elektroaktive Schallwandlerfolie umfassend einen Folienverbund aus mindestens einer Trägerfolie, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Schallwandlerfolie eine Strukturierung mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert, im Vergleich zu standardmäßigen flachen oder nur einfach gewölbten, elektroaktiven Schallwandleroberflächen ein verbessertes Abstrahlverhalten und eine höhere Effizienz aufweist. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, können sich die verbesserten Wandlereigenschaften durch die Strukturierung der Folienoberfläche ergeben, welche auch zu einer höheren Gesamtoberfläche der Folie pro Flächeneinheit führt. Dies im Vergleich zu Standardfolienoberflächen, welche entweder nur flach oder nur einfach gewölbt ausgebildet sind. Desweiteren kann die Strukturierung der Oberfläche zu einem besseren dynamischen Verhalten der Folie führen, da die mechanischen Dimensionsänderungen der Folie, als Funktion zum Beispiel eines angelegten elektrischen Feldes, durch die unterschiedlichen Oberflächensteigungen räumlich besser abgeleitet werden können, ohne dass es zu ungewollten Wechselwirkungen unterschiedlicher Teilbereiche des Wandlers kommt. Dies kann insbesondere darauf basieren, dass die Wandleroberfläche mehrere Bereiche mit unterschiedlicher Steigung aufweist, wobei ein mehrfacher Wechsel des Vorzeichens der Oberflächensteigung erfolgt. Die unterschiedlichen Steigungen der Oberfläche führen zu jeweils anderen mechanischen Belastungsprofilen bei einer Stauchung/Auslenkung, sodass auch Belastungsspitzen dieser so strukturierten Oberfläche besser kompensiert werden können.
Eine elektroaktive Schallwandlerfolie im Sinne der Erfindung ist ein Folienverbund aus mindestens einer Folienschicht mit piezoelektrischen Eigenschaften, mindestens zwei Elektroden und einer Trägerfolie. Zweckmäßigerweise ergibt sich der Aufbau zu einer untersten Trägerfolie und einer elektroaktiven piezoelektrischen Schicht, welche von mindestens zwei Elektroden jeweils eine zu beiden Seiten der elektroaktiven Folie eingerahmt wird. Der Verbund kann aber auch mehrere Trägerfolien und/oder mehrere Elektroden umfassen. Insbesondere können die einzelnen Schichten auch nicht vollflächig im Folienverbund vorliegen. Dies bedeutet, dass einzelne Bereiche des Folienverbundes auch Ausnehmungen in einzelnen Schichten aufweisen können. Der Folienverbund kann eine Dicke von größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 5000 µm, vorzugsweise größer oder gleich 30 µm und kleiner oder gleich 2500 µm mindestens und desweiteren bevorzugt größer oder gleich 50 µm und kleiner oder gleich 1500 µm aufweisen. Kleinere Verbunddicken sind nicht bevorzugt, da die mechanische Festigkeit des Verbundes bei Belastung nicht mehr gegeben sein kann. Größere Schichtdicken können hingegen zu einer zu hohen Steifigkeit und einer zu hohen Masse führen, welches beispielsweise bei Anwendungen zur Schallaufzeichnung (Mikrophon) nachteilig sein kann. Die Dicke der einzelnen Schichten kann dabei als Funktion des Materials und des Anwendungszweckes variieren.
Die Trägerfolie kann vorteilhafterweise aus einem Material mit geringer spezifischer Dichte und hoher Festigkeit ausgebildet sein. So können als Trägerfolie beispielsweise dünne Papierschichten oder PET-Folien eingesetzt werden. Diese Trägerfolie kann eine Dicke von größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 2000 µm, vorzugsweise größer oder gleich 30 µm und kleiner oder gleich 1000 µm und desweiteren bevorzugt größer oder gleich 50 µm und kleiner oder gleich 500 µm aufweisen. Geringere Schichtdicken können für die mechanische Stabilität des gesamten Verbundes nachteilig sein. Höhere Schichtdicken können zu einer zu hohen dynamisch inaktiven Masse führen, welche die Sensitivität des Verbundes herabsetzen kann.
Die Elektroden können aus einer Metallschicht oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen. Als Metallisierungsschicht kommen dabei die dem Fachmann bekannten Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber, Gold etc. in Frage. Mögliche elektrisch leitfähigen Materialien sind beispielsweise elektrisch leitfähige Kunststoffe wie Pedot:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen: Polystyrolsulfonat). Die Elektroden können bevorzugt zu beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer angeordnet sein. Dabei können beide Elektrodenschichten vollflächig oder nur teilflächig vorliegen. Dies bedeutet, dass entweder eine oder beide Elektrodenflächen die gesamte Wandlerfläche überziehen oder das eine oder beide Elektroden nur Teilbereiche der Wandlerfläche bedecken. Insbesondere kann dabei eine der Elektroden mehrere Ausnehmungen aufweisen, sodass kein durchgängiger elektrischer Kontakt in der Elektrode gegeben ist. Die einzelnen Elektroden können zudem mit einer oder mehreren elektrischen Zuleitungen versehen sein.
Die piezoelektrische Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer kann ein elektroaktives Polymer enthalten oder aus einem elektroaktiven Polymer bestehen. Charakteristisch ist, dass diese Schicht sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung verformen kann und bei dem Auftreten einer mechanischen Verformung eine Spannung in der Schicht induziert wird. Es können auch mehrere piezoelektrische Schichten übereinander vorliegen. Es kann dabei nur eine, bevorzugt eine bis 5 und desweiteren bevorzugt eine bis 10 einzelne piezoelektrischen Schichten aufweisend ein elektroaktives Polymer vorhanden sein. Die einzelnen Schichten können sich dabei beispielsweise durch sukzessives Auftragen einzelner Schichten ergeben und zeichnen sich durch eine Diskontinuitätsstelle am Schichtübergang aus. Dieser lässt sich mit den gängigen optischen Methoden wie beispielsweise Mikroskopie nachweisen. Als elektroaktive Polymere lassen sich dabei prinzipiell Silikon-Elastomere, Acryl-Elastomere, Polyurethane, thermoplastische Materialien, Copolymere mit PVDF (Polyvinylidenfluorid), drucksensitive Kleber, Fluoroeleastomere und Polymere mit Silikon- oder Acrylgruppen einsetzten. Die piezoelektrische Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer kann desweiteren noch weitere Additive wie zum Beispiel Plastifizierungsmittel, hochmolekulare Öle, Antioxidatien, Viskositätsmodifizierer und/oder zusätzliche dielektrische Partikel mit hohen Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Die Dicke einer piezoelektrischen Schicht kann größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 1000 µm, bevorzugt größer oder gleich 2 µm und kleiner oder gleich 500 µm und desweiteren bevorzugt größer oder gleich 5 µm und kleiner oder gleich 250 µm betragen.
Der Folienverbund weist eine Strukturierung auf, sodass sich Oberflächenbereiche mit unterschiedlicher Steigung ergeben. Die Steigung der Oberflächenbereiche ergibt sich in einem mathematischen Sinn, sodass die Oberfläche Bereiche mit unterschiedlichen Höhenunterschieden auf unterschiedlichen Längenunterschieden aufweist. Vorzugsweise ist die Oberfläche symmetrisch strukturiert und weist mindestens eine oder besonders bevorzugt zwei senkrecht zueinander stehender Spiegelebenen auf, wenn man einen Oberflächenschnitt betrachtet. Die unterschiedlichen Steigungen lassen sich durch einem Schnitt durch die Oberfläche des Folienverbundes erfassen, wobei sich die Steigung der Oberfläche durch die Steigung der Tangenten an der äußersten Schicht der Oberfläche ergibt. Unstetigkeitsstellen der Oberfläche, an denen sich keine Steigung bestimmen lässt blieben bei der Bestimmung der Steigung außer Betracht. Erfindungsgemäß liegen Oberflächen mit einer Strukturierung vor, deren Steigung mehr als zweimal das Vorzeichen ändert. Standard Folien-Schallwandleroberflächen werden innerhalb der Anwendungssituation entweder flach oder vorgespannt in einem äußeren Rahmen fixiert. Daraus folgt, dass im ersten Fall (gerade eingespannt) sich die Oberflächensteigung über der Wandleroberfläche nicht ändert, sondern konstant ist (siehe Figur Ia). Im Falle eingespannter, gekrümmter Wandleroberflächen ergibt sich durch die Krümmung der Folie eine veränderliche Steigung (siehe Figur Ib), welche allerdings nur einen, nicht erfindungsgemäßen, einmaligen Wechsel des Vorzeichnens der Oberflächensteigung aufweist. Die Anzahl der Vorzeichenwechsel der Steigung lässt sich zweckmäßigerweise dadurch bestimmen, dass man einen Schnitt durch die Folienoberfläche betrachtet und einen Referenzpunkt an einen Rand der Fläche legt. Ein Vorzeichenwechsel in der Steigung tritt dann auf, wenn entweder eine positive Steigung (Ansteigen der Oberfläche) in eine negative Steigung (Abfallen der Oberfläche) und umgekehrt übergeht. Liegen in der Schallwandlerfolienoberfläche auch Teilbereiche vor, welche gerade sind und weder Abfallen noch Ansteigen, so werden diese Bereiche nicht berücksichtigt.
Die strukturierte Wandleroberfläche kann dabei anwendungsspezifisch auf unterschiedlichste feste Objekte wie Bauteilgehäuse, Scheiben, Wände oder auch kleinere Objekte wie Postkarten etc. auf- oder angebracht werden.
Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit weiteren Aspekten und Ausführungsformen nachfolgend näher beschrieben. Sie können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schallwandlerfolie als elektroaktives Polymer PVDF umfassen. Gerade PVDF hat sich als elektroaktives Polymer in der piezoelektrischen Schicht als besonders geeignet erwiesen. Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht PVDF umfassen oder aus PVDF bestehen. Das Material zeigt gute piezoelektrische Eigenschaften, sodass genügend hohe mechanische Auslenkungen bei relativ geringen Spannungen erreicht werden können. Dies gilt natürlich auch bei der Umwandlung von Schallwellen in elektrischen Strom. Desweiteren zeigen PVDF-Schichten eine hinreichende mechanische Belastbarkeit, sodass schon mit geringen Materialstärken hinreichend mechanisch stabile Verbünde erhältlich sind. Das Material ist weiterhin flexibel genug, um im Rahmen einer mechanischen oder chemischen Strukturierung, ohne zu brechen, in unterschiedliche Formen gebracht werden zu können. Piezoelektrische Schichten aufweisend PVDF als elektroaktives Polymer können dabei mehr als 20 Vorzeichenwechsel der Steigung, bevorzugt mehr als 50 Vorzeichenwechsel der Steigung und desweiteren bevorzugt mehr als 100 Vorzeichenwechsel der Steigung pro Wandleroberfläche aufweisen. Gerade diese hohe Zahl an Vorzeichenwechsel kann zu einer höheren Oberfläche und einer verbesserten Schwingungsdynamik der strukturierten Oberfläche beitragen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Folienverbund Bereiche mit unterschiedlicher Elastizität aufweisen, deren Ränder parallel zu Bereichen mit konstanter Oberflächensteigung verlaufen. Der Schallwandlerfolienverbund kann derart gestaltet sein, dass in unterschiedlichen, flächigen Bereichen des Verbundes das Material eine unterschiedliche Elastizität oder Steifigkeit aufweist. Diese Bereiche sind zweckmäßigerweise so orientiert, dass Änderungen der Elastizität des Folienverbundes parallel zu den Stellen der Oberfläche auftreten, welche entweder einen Wechsel in dem Vorzeichen der Steigung aufweisen. Insbesondere ist nachteilig, wenn die Elastizitätsänderungen von Bereichen des Folienverbundes in einem Winkel größer als 20°, größer 45° oder größer 90° und kleiner als 180° relativ zu den Linien konstanter Oberflächensteigung auftreten. Durch die Änderungen der Elastizität des Folienverbundes lassen sich unterschiedliche Oberflächenbereiche schaffen, welche zum Beispiel als Funktion der Steigung eine unterschiedliche Auslenkbarkeit aufweisen. Auf diese Art und Weise kann man das Resonanzverhalten der erfindungsgemäßen Wandlerfolien beeinflussen. Die unterschiedliche Elastizität des Verbundes kann dabei durch Verwendung unterschiedlich elastischer Teilschichten (z.B. die Trägerschicht) erreicht werden. Es ist aber auch denkbar, dem Folienverbund durch z.B. eine mechanische Strukturierung durch Tiefziehen in den tiefgezogenen Bereichen eine andere Elastizität aufzuprägen. Es können aber auch in Teilbereichen weitere Schichten aufgebracht werden, welche in diesen Bereichen zu einer geringeren Elastizität beitragen. Ähnlich Effekte können durch partielle chemische oder thermische Behandlungen des Folienverbundes und anschließender mechanischer Prägung erreicht werden. Weitere Beispiele zum Verhältnis der elastischen Bereiche und der Steigung der Oberfläche ergeben sich aus den Zeichnungen.
In einer zusätzlichen Charakteristik kann der Folienverbund mehr als zwei Elektroden aufweisen, deren Elektrodenränder parallel zu Bereichen mit konstanter Oberflächensteigung verlaufen. Durch diesen speziellen Aufbau mit mehreren Elektroden, deren Begrenzungen der Elektrodenfläche parallel zu den Bereichen konstanter Oberflächensteigung verlaufen lassen sich die unterschiedlichen Bereiche der Folie separat ansteuern und auslenken. Gleichfalls lässt sich durch diese Anordnung die mechanische Auslenkung von Bereichen mit einer konstanten Steigung gesondert erfassen. Dadurch kann sowohl die Selektivität der mechanischen Auslenkung von Teilbereichen der Oberfläche wie auch das Schwingungsverhalten des gesamten Folienverbundes gesondert gesteuert werden. Der Folienverbund ist somit durchstimmbar, welches mit standardmäßigen Folienverbünden nicht erreicht werden kann. Vorteilhafterweise können die Elektroden- Randbegrenzungen dabei nicht nur parallel zu den Bereichen konstanter Oberflächensteigung, sondern auch parallel zu eventuell vorhanden Symmetrieebenen der Folie verlaufen. Dies kann zu einer besonders homogenen Klangabstrahlung der Schallwandlerfolie beitragen.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung kann auf die Außenseite des Folienverbundes zumindest partiell eine zusätzliche Schutz- oder Abdeckschicht angebracht sein. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Folienverbundes, zum Schutz gegenüber UV-Strahlung, als elektrischer Berührungsschutz oder als Schutz der äußersten Wandlerschicht gegen Feuchtigkeit oder Staub kann eine weitere Schicht auf den Folienverbund aufgebracht sein. Diese Schicht ist vorzugsweise piezoelektrisch nicht aktiv und kann durch die dem Fachmann gängigen Verfahren nachträglich aufgebracht oder schon im Rahmen der Herstellung mit dem Folienverbund verbunden werden. Geeignete Schichtmaterialien sind dabei chemisch inerte Polymer wie beispielsweise Poly-p-xylylen (Parylene) oder andere Polymere wie z.B. Teflon. Dies kann die Langlebigkeit und Sicherheit des Folienverbundes erhöhen. Die Schichtdicke der Schutzschicht kann dabei zweckmäßigerweise größer oder gleich 0,01 µm und kleiner oder gleich 30 µm, bevorzugt größer oder gleich 0,1 µm und kleiner oder gleich 15 µm und desweiteren bevorzugt größer oder gleich 0,5 µm und kleiner oder gleich 10 µm betragen.
Desweiteren erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Schallwandlers mit strukturierter Schallwandlerfolie dadurch gekennzeichnet, dass

a) eine Schallwandlerfolie aus mindestens einer Trägerschicht, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer hergestellt wird,
b) die Schallwandlerfolie aus Schritt a) mechanisch oder chemisch strukturiert wird, wobei die Oberfläche der Schallwandlerfolie Bereiche mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert und
c) die strukturierte Schallwandlerfolie mit einen Rahmen oder einer Oberfläche verbunden wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch dieses Verfahren Schallwandler erhältlich sind, welche ein verbessertes Abstrahl- und/oder Detektionsverhalten zeigen. Dies, ohne durch die Theorie gebunden zu sein, durch die erhöhte Schallwandleroberfläche und die spezifischer Strukturierung derselben. Insbesondere scheinen die unterschiedlichen Steigungen der Folienoberfläche eine, im Vergleich zu standard-unstrukturierten Oberflächen, bessere Auslenkbarkeit der einzelnen Oberflächensegmente zu ermöglichen. Dies kann zu einem höheren Schalldruck und einer besseren Frequenzgängigkeit des Wandlers beitragen. Der Verbund kann im Schritt a) dabei durch die im Stand der Technik gängigen Methoden aus den einzelnen Bestandteilen aufgebaut werden. Dies beispielsweise durch Zusammenfügen schon vorgefertigter Einzelfolien mit folgendem Auflaminieren oder in Nassverfahren durch Aufdrucken, Rakeln etc.. Dem Fachmann sind hier die üblichen Verarbeitungstechniken zum Aufbau von Folienverbünden bekannt.

Im Verfahrensschritt b) kann die Schallwandlerfolie durch einen physikalischen oder chemischen Prozess derart strukturiert werden, sodass sich Bereich mit unterschiedlicher Steigung ergeben. Mechanische Verfahrensschritte beinhalten zum Beispiel abschnittsweises Tiefziehen, Heiß- oder Kaltpressen, Strecken und Stauchen des Folienverbundes, sodass eine permanente Verformung der Folienoberfläche mit unterschiedlichen Steigungen erhalten wird. Es ist weiterhin vorteilhaft möglich, dass die Strukturierung symmetrisch aufgebracht wird. Dies bedeutet, dass die Strukturierung nicht willkürlich, sondern in bestimmten Abständen mit nahezu konstantem Abstand aufgebracht wird. Dadurch können besonders effektive strukturierte Schallwandlerfolien erhalten werden. Weitere mechanische Strukturierungsmethoden beinhalten das abschnittsweise Erwärmen, Ultraschallbehandeln oder partielles Abtragen (z.B. durch Lasern). Chemische Methoden zur Strukturierung können zum Beispiel das abschnittsweise Ätzen mit einer Säure oder Lauge, partielles Einlagern weiterer Substanzen sowie partielles Anquellen beinhalten. Allen diesen physikalischen oder chemischen Strukturierungsmethoden ist gemein, dass diese zu einer permanenten Änderung des Höhenprofils einzelner Bereiche der Schallwandlerfolie führen. Diese Änderung des Höhenprofils führt zu unterschiedlichen Steigungen der Wandlerfolie, welche erfindungsgemäß dabei mindestens zweimal ihr Vorzeichen ändert.
Im Verfahrensschritt c) kann die strukturierte Wandlerfolie dann mit einem Rahmen verbunden werden. Das Verbinden kann dabei rein mechanisch durch Einklemmen oder aber auch stoffschlüssig durch Einkleben erfolgen. Die strukturierte Wandlerfolie kann dabei sowohl flach wie auch vorgespannt in den Rahmen eingefügt werden.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können vor dem Verfahrensschritt c) zumindest in Teilbereichen der Rückseite der strukturierten Schallwandlerfolie schwingungsharte Abstandshalter angebracht werden. Die schwingungsharten Abstandshalter kontaktieren dabei sowohl den Folienverbund wie auch das Bauteil. Bedingt durch das Wandlungsverhalten der strukturierten Wandleroberfläche lassen sich auch Teilbereiche des Folienverbundes auf Ihrer Rückseite durch mechanisch steife Abstandshalter abstützen, ohne die Effektivität des gesamten Wandlers zu stark zu beeinträchtigen. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, basiert die nur geringe Effektivitätsverschlechterung auf der Strukturierung der Oberfläche mit unterschiedlichen Steigungsbereichen. Die mechanisch steifen Abstandshalter bilden dabei eine möglichst schwingungsmechanisch steife Komponente. Dies kann vorteilhafterweise zu einer höheren mechanischen Festigkeit der gesamten Wandlerfolie führen, da die Strecken in denen die Schallwandlerfolie ohne Abstützung frei schwingen kann verringert werden. Die strukturierte Schallwandlerfolie kann dabei sowohl nur frei auf dem Abstandshalter aufliegen oder permanent mechanisch mit diesem verbunden sein. Dies beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen. Pro Schallwandlerfolie können dabei sowohl nur eine oder aber auch mehrere schwingungsharte Abstandshalter auf der Rückseite des Folienverbundes angebracht sein. In einer besonderen Ausführungsform können durch das Einbringen mehrerer schwingungsharte Abstandshalter die gesamte Wandleroberfläche in mehrere Teilflächen aufgeteilt werden, welche in einem symmetrischen Flächenverhältnis zueinander stehen. Dadurch kann die gesamte Schallwandlerfolie in Bereiche mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen aufgeteilt werden. Dies kann zu einer Vergleichmäßigung des Abstrahlverhaltens des Wandlers bei stark unterschiedlichen Frequenzen beitragen. Desweiteren kann vorteilhafterweise, bedingt durch die mechanische Abstützung der Schallwandlerfolie durch die schwingungsharten Abstandshalter, die Folie in ihrer Festigkeit selbst verringert werden, welches zu einer höheren Sensitivität und einer insgesamt besseren Schallwandlung beitragen kann. Schwingungsharte Abstandshalter im Sinne der Erfindung zeichnen sich durch Materialien oder Materialkombinationen aus, welche ein relativ großes Elastizitätsmodul aufweisen. Bevorzugt können diese schwingungsharte Ab- standshalter ein Elastizitätsmodul von größer oder gleich 5000 N/mm², bevorzugt größer oder gleich 10000 N/mm² und desweiteren bevorzugt von größer oder gleich 30000 N/mm² aufweisen. Die Elastizitätsmodule der Materialien finden sich tabelliert in der Literatur oder lassen sich mit mittels rheologischer Messungen bestimmen (z.B. mittels eines Platte/Platte Rheometers oder schwingungsmechanischer Messungen an Probekörpern). Diese Elastizitätsmodule haben sich zur ausreichenden, schwingungsharten Stabilisierung strukturierte Schallwandleroberflächen als besonders geeignet erwiesen.
Die schwingungsharten Abstandshalter können aus unterschiedlichem Material geformt werden. Denkbar sind Metall, Holz, Kunststoff oder auch unterschiedliche Kleber. Hier beispielsweise Zweikomponentenkleber, thermisch härtende Kleber oder UV-härtende Kleber auf Epoxy-Basis. Die schwingungsharte Abstandshalter können dabei rein mechanisch vor Aufbringen der Schallwandlerfolie auf die Oberfläche des Objektes gelegt oder mittels eines Druckverfahrens (z.B. Sieb-, Flexodruck) oder mittels eines Laminierschrittes aufgebracht werden. Typischerweise kann die Breite der schwingungsharten Abstandshalter größer oder gleich 5 µm und kleiner oder gleich 5 cm, bevorzugt größer oder gleich 5 µm und kleiner oder gleich 2 cm und weiterhin desweiteren bevorzugt größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 1 cm betragen.
In einem weiteren, erfindungsgemäßen Aspekt können vor dem Verfahrensschritt c) zumindest Teilbereiche der Rückseite der strukturierten Schallwandlerfolie mit einem schwingungsweichen Bett kontaktiert werden. Bedingt durch die Strukturierung der Schallwandlerfolie können sich auf der Rückseite des Verbundes prominente Abstützungspunkte ergeben, welche sich ohne deutliche Verschlechterung der Wandlereigenschaften mittels eines schwingungsweichen Bettes abstützen lassen. Das schwingungsweiche Bett kontaktiert dabei sowohl das Bauteil auf dem der Folienverbund aufgebracht ist wie auch, zumindest in Teilbereichen, den Folienverbund. Dadurch kann die Schallwandlerfolie mechanisch leichter gestaltet werden, welches vorteilhafterweise zu verbesserten Schwingungseigenschaften des gesamten Verbundes führen kann. Die mechanische Festigkeit der strukturierten Wandleroberfläche kann dadurch verbessert werden, welches zudem zur Langlebigkeit des Produktes beitragen kann. Das schwingungsweiche Bett ist dabei ein mit Material gefüllter Bereich auf der Rückseite der Schallwandlerfolie, welcher zumindest partiell mit der Schallwandlerfolie in Kontakt steht. Dieser Bereich schafft somit statisch eine Verbindung zwischen dem festen Untergrund und der Schallwandlerfolie. Im relevanten Frequenzbereich des Wandlers ist dieses Material elastisch und behindert derart die Bewegung der Wandleroberfläche nur wenig. Eine schwingungsmechanische Wirkung auf das Resonanzverhalten des Wandlers kann dabei im Design, der Materialauswahl und der Dicke des Folienverbundes berücksichtigt werden.
Das schwingungsweiche Bett kann den Rückraum des Wandlers partiell oder gesamt ausfüllen und kann eine Dicke von größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 2000 µm, bevorzugt von größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 1500 µm und desweiteren bevorzugt von größer oder gleich 2 µm und kleiner oder gleich 1000 µm aufweisen. Geeignete Materialien zum Aufbau eines schwingungsweichen Bettes können Silikonelastomere oder Silikonkautschuke, Zwei-Komponenten-Silikon wie z.B. Fermasil (der Fa. Sonderhoff), mit Klebstoff verbundene elastische Körper oder Hohlkörper, Kunststoff- oder Glas-Vollkugeln oder ähnliche Materialien sein. Desweiteren können in dem schwingungsweichen Bett auch kleine Lufteinschlüsse vorhanden sein oder eingebracht werden, welche vorteilhafterweise die Kompressibilität des Wandler-Rückraumes vergrößern können. Diese Umsetzungvarianten adressieren besonders vorteilhaft die Eigenschaft eines schwingungsweichen Bettes, die Schichtanordnung in einer definierten Ruheposition zu halten aber im gewünschten Frequenzbereich der Schallwandler dynamischen Schwingungen einen geringen Widerstand entgegenzusetzen (d.h. eine große Nachgiebigkeit zu besitzen). Schwingungsweich im Sinne der Erfindung ist dabei ein Material oder eine Materialzusammensetzung, dessen dynamische flächenbezogene Nachgiebigkeit groß ist. Diese Eigenschaft kann sich aus dem Elastizitätsmodul ergeben, welches für schwingungsweiche Materi- alien kleiner oder gleich 5000 N/mm², bevorzugt kleiner oder gleich 1000 N/mm² und desweiteren bevorzugt kleiner oder gleich 500 N/mm² betragen kann. Die Elastizitätsmodule der Materialien finden sich tabelliert in der Literatur oder lassen sich mit mittels rheologischer Messungen bestimmen (z.B. mittels eines Platte/Platte Rheometers oder schwingungsmechanische Messungen an Probekörpern. Die Elastizitätsmodule der Materialien gelten dabei für den hier betrachteten, anwendbaren Frequenzbereich der Schallwandler von größer oder gleich 20 Hz bis kleiner oder gleich 150 kHz, bevorzugt von größer oder gleich 100 Hz bis kleiner oder gleich 100 kHz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Wandlerfolienrückraum sowohl durch ein schwingungsweiches Bett wie auch durch schwingungsharte Abstandshalter abgestützt werden. Diese Kombination aus schwingungsweichen und -harten Komponenten kann zu einer besonders guten mechanischen Abstützung der strukturierten Schallwandlerfolie beitragen.
Desweiteren erfindungsgemäß ist ein elektroaktiver Schallwandler, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Schallwandler, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, können durch die strukturierte Wandleroberfläche verbesserte Wandlereigenschaften wie zum Beispiel Sensitivität und Schalldruck zeigen.
Die erfindungsgemäßen elektroaktiven Schallwandler mit mikrostrukturierter Oberflächenfolie können als Mikrofon, Lautsprecher, Human-Machine-Interface (HMI), Sensor verwendet werden. Die verbesserten Wandlereigenschaften eignen sich insbesondere zum Einsatz in den oben genannten Bereichen, in denen nur eine begrenzte Oberfläche zur Verfügung steht und/oder eine hohe Effizienz erreicht werden soll.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der vorbeschriebenen elektroaktiven Schallwandler wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektroaktiven Schallwandlerfolie sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen elektroaktiven Schallwandlerfolie auch für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schallwandler anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmalen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
1a. schematischer Querschnitt eines konventionellen Schallwandleraufbaus mit einem geraden Schallwandlerfolienverbund.
1b. schematischer Querschnitt eines konventionellen Schallwandleraufbaus mit gekrümmten Schallwandlerfolienverbund.
2. schematischer Schnitt einer strukturierten Schallwandleroberfläche.
3a–e. schematischer Schnitt durch unterschiedliche Ausgestaltungen einer strukturierten Schallwandlerfolie.
4. schematischer Schnitt durch eine strukturierte Schallwandleroberfläche ohne Trägerschicht mit einer piezoelektrischen Schicht und mehreren Elektroden.
5. schematischer Schnitt durch einen Schallwandler mit einer Schallwandlerfolie mit strukturierter Oberfläche auf schwingungsharten Abstandshalter und einem schwingungsweichem Bett.
6. eine schematische Aufsicht auf einen Wandler-Unterbau aus schwingungsweichen Bett und schwingungsharte Abstandshalter.
1a zeigt den schematischen Querschnitt eines konventionellen Schallwandleraufbaus 1 mit einer Bauteiloberfläche 2 auf der Rückseite des Wandlers, zwei Rahmen oder Halterungen 3 zu beiden Seiten des Schallwandlerfolien-Verbundes mit einer Trägerschicht 4 und darüber liegendem Verbund 5 aus piezoelektrischer Schicht und zwei Elektrodenschichten. Die Oberfläche der Schallwandlerfolie ist nicht strukturiert und die Folie ist gerade zwischen den Halterungen 3 eingespannt. Es ergibt sich eine konstante Oberflächensteigung der Schallwandlerfolie.
1b zeigt den schematischen Querschnitt eines konventionellen Schallwandleraufbaus mit einem Schallwandlerfolienverbund aus Trägerschicht 4 und darüber liegender piezoelektrischer Schicht und zwei Elektrodenschichten 5. Die Oberfläche der Schallwandlerfolie ist nicht strukturiert. Der Verbund ist gekrümmt zwischen den Halterungen 3 eingespannt. Es ergibt sich (von rechts nach links) erst eine positive Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche und dann, nach Überschreiten des Maximums, eine negative Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche. Das Vorzeichen der Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche wechselt einmal und ist diese Anzahl an Vorzeichenwechseln ist demzufolge nicht erfindungsgemäß.
2 zeigt einen schematischen Schnitt einer strukturierten Schallwandleroberfläche. Von links nach rechts ergeben sich erst eine positive Steigung, ein Maximum, eine negative Steigung, ein Minimum und dann wieder eine positive Steigung. Das Vorzeichen der Oberflächensteigung wechselt also zweimal sein Vorzeichen. Damit liegt in diesem Teilbereich eine erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche vor.
3a–e zeigt einen Schnitt durch unterschiedliche Ausgestaltungen einer strukturierten Schallwandlerfolie, wobei das Vorzeichen der Oberflächensteigung der Schallwandlerfolien mehr als einmal das Vorzeichen ändert. Insbesondere sind hier bevorzugte Ausführungsformen wiedergegeben, welche eine Abfolge wiederkehrender Einzelelemente aufweisen und demzufolge symmetrisch aufgebaut sind. Es sind aber auch nicht periodisch strukturierte Oberflächen oder Mischformen der dargestellten Oberflächen denkbar.
4 zeigt einen Schnitt durch eine strukturierte Schallwandleroberfläche 8 ohne Trägerschicht 4. Dargestellt ist eine piezoelektrische Schicht 9 und mehrere Elektroden, beispielsweise 10, 11, welche sich nicht gesamt flächig über die piezoelektrische Schicht 9 erstrecken. Die einzelnen Ränder der Elektroden verlaufen parallel zu Bereichen mit konstanter Oberflächensteigung (hier im Schnitt nicht dargestellt). Insbesondere ist auch im Sinne der Erfindung, dass die Polung einzelnen Elektroden auf der Ober-/Unterseite der piezoelektrischen Schicht nicht konstant ist, sondern variabel. Derart können unterschiedliche Oberflächenbereiche der piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer in derselben Zeiteinheit unterschiedlich polarisiert werden.
5 zeigt einen Schnitt durch einen Schallwandler mit einer Schallwandlerfolie mit strukturierter Oberfläche 5. Der Schallwandler ist auf einem festen Körper 2 angeordnet und wird durch schwingungsharte Abstandshalter 7 und ein schwingungsweiches Bett 6 stabilisiert. Es sind auch Situationen im Sinne der Erfindung, in denen die Schallwandlerfolie entweder nur durch schwingungsharte Abstandshalter 7 oder nur durch ein schwingungsweiches Bett 6 stabilisiert wird. Das schwingungsweiche Bett 6 kann dabei den gesamten Rückraum vom festen Körper 2 bis hin zur Schallwandlerfolie ausfüllen. Es sind können aber auch Aufbauten erfindungsgemäß sein, in denen das schwingungsweiche Bett 6 nur mit Teilbereichen der Schallwandlerfolie mit strukturierter Oberfläche 5 in Kontakt steht. Die Schallwandlerfolie mit strukturierter Oberfläche 5 kann dabei sowohl eine weitere rein mechanische Trägerfolie umfassen wie auch trägerfolienlos aufgebaut sein.
6 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Wandler-Unterbau aus schwingungsweichen Bett 6 und schwingungsharten Abstandshalter 7. Die strukturierte Schallwandlerfolie ist in der schematischen Aufsicht nicht gezeigt. Durch die Anordnung der schwingungsharten Abstandshalter 7 lassen sich unterschiedlich Wandler-Teilbereiche formen, welche eine unterschiedliche Fläche und damit auch unterschiedliche Resonanzeigenschaften aufweisen können. Somit lässt sich durch die Wahl des Unterbaus der Schallwandler auf das jeweils gewünschte Anwendungsgebiet abstimmen. Es sind auch Ausführungsformen erfindungsgemäß, in denen nur schwingungsharte Abstandshalter 7 ohne schwingungsweiches Bett 6 vorhanden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4638207 A [0004]
DE 102010043108 A1 [0005]

Claims

Elektroaktive Schallwandlerfolie umfassend einen Folienverbund aus mindestens einer Trägerfolie, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Schallwandlerfolie eine Strukturierung mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert.
Schallwandlerfolie nach Anspruch 1, wobei das elektroaktive Polymer PVDF umfasst.
Schallwandlerfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Folienverbund Bereiche mit unterschiedlicher Elastizität aufweist, deren Ränder parallel zu Bereichen mit konstanter Oberflächensteigung verlaufen.
Schallwandlerfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Folienverbund mehr als zwei Elektroden aufweist, deren Elektrodenränder parallel zu Bereichen mit konstanter Oberflächensteigung verlaufen.
Schallwandlerfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Außenseite des Folienverbundes zumindest partiell eine zusätzliche Schutz- oder Abdeckschicht angebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Schallwandlers mit strukturierter Schallwandlerfolie dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Schallwandlerfolie aus mindestens einer Trägerschicht, mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht und mindestens einer piezoelektrischen Schicht aufweisend ein elektroaktives Polymer hergestellt wird, b) die Schallwandlerfolie aus Schritt a) mechanisch oder chemisch strukturiert wird, wobei die Oberfläche der Schallwandlerfolie Bereiche mit unterschiedlicher Steigung aufweist und die Steigung der Schallwandlerfolienoberfläche mindestens zweimal das Vorzeichen ändert und c) die strukturierte Schallwandlerfolie mit einen Rahmen oder einer Oberfläche verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei vor dem Verfahrensschritt c) zumindest in Teilbereichen der Rückseite der strukturierten Schallwandlerfolie schwingungsharte Abstandshalter angebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei vor dem Verfahrensschritt c) zumindest Teilbereiche der Rückseite der strukturierten Schallwandlerfolie mit einem schwingungsweichen Bett kontaktiert werden.
Elektroaktiver Schallwandler, herstellbar nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6–8.
Verwendung eines elektroaktiven Schallwandlers mit mikrostrukturierter Oberflächenfolie nach Anspruch 9 als Mikrofon, Lautsprecher, Human- Machine-Interface (HMI), Sensor.