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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise
in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik und/oder
im Automobilbereich eingesetzt werden. Insbesondere im Ansaugtrakt
und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren können derartige
Durchflussmesser zur Volumenstrommessung, zur Massenstrommessung
oder zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt werden. Insbesondere
sind derartige Ultraschallwandler zur Strömungsmessung
an Luft vorgesehen, wobei jedoch grundsätzlich auch andere
fluide Medien, also Gase und/oder Flüssigkeiten, zum Einsatz
kommen können. Im Automobilbereich können aus
einer derartigen Ultraschall-Strömungsmessung Luftmengensignale und/oder
Luftmassensignale innerhalb einer Systemsteuerung eines Verbrennungsmotors
abgeleitet werden.
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Typischerweise
werden Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen
in ein fluides Medium emittieren können als auch Ultraschallwellen
aus dem fluiden Medium empfangen können. Dabei werden Ultraschallsignale üblicherweise
durch das strömende fluide Medium von einem Emitter zu
einem Empfänger übermittelt und dabei Laufzeit,
Laufzeitdifferenzen, Phasen, Phasendifferenzen oder auch Kombinationen
dieser und/oder anderer Messgrößen erfasst. Diese
Messgrößen bzw. Signale werden durch die Strömung
des fluiden Mediums beeinflusst. Aus dem Grad der Beeinflussung
der Laufzeit lässt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit
des fluiden Mediums schließen. Verschiedene Messanordnungen
und Auswertungsprinzipien sind möglich, beispielsweise
Ultraschall-Durchflussmesser mit einem, zwei oder mehr Ultraschallwandlern.
Beispiele von Ultraschallwandlern sind in
DE 10 2007 010 500 A1 ,
in
DE 42 30 773 C1 sowie
in
EP 0 766 071 A1 dargestellt.
Die in diesem Stand der Technik beschriebenen Ultraschallwandler
können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert
werden, so dass beispielsweise für mögliche Ausgestaltungen
auf diese Druckschriften verwiesen werden kann.
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Ein
Problem vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch,
zumindest bei gasförmigen Medien, in vergleichsweise geringen
Ultraschall-Signalamplituden. Diese sind insbesondere dadurch bedingt, dass
die von üblichen Ultraschallgebern, beispielsweise einer
Piezokeramik, erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung in
das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied,
in der Regel ca. einen Faktor 6 × 105, überwinden
muss. Infolge dessen werden in der Regel näherungsweise
99,9995% der Schallenergie auf dem Weg von einer Piezokeramik in
Luft an der entsprechenden Grenzfläche zurück
reflektiert und sind für die Messung nicht nutzbar. Derselbe
Reflexionsverlust tritt nochmals beim zweiten, empfangenden Wandlerelement
auf, welches auch mit dem ersten Wandlerelement identisch oder baugleich
sein kann. Um die akustische Kopplung zwischen Wandlerelement und
dem zu messenden fluiden Medium zu verbessern, werden daher üblicherweise
Anpasskörper, beispielsweise in Form einer oder mehrerer
Anpassschichten, eingesetzt, welche eine Schwingungskopplung zwischen
dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem umgebenden fluiden
Medium begünstigen. Bekannt sind beispielsweise Ultraschallwandler
mit schallabstrahlenden Resonanz- oder Anpasskörpern, wie
beispielsweise einer Metallmembran oder einer λ/4-Impedanzanpassschicht.
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In M.
I. Haller et al.: 1–3 Composites for Ultrasonic Air Transducers,
IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, 937 bis 939, wird ein
Anpasskörper aus mikromechanisch hergestelltem Kapton® (ein Polyimid-Werkstoff der Firma
DuPont) beschrieben. Dabei wird mittels eines Sauerstoffplasmas
ein Säulen-Array aus Polyimid hergestellt. Das dort beschriebene
mikromechanische Verfahren ist jedoch technisch äußerst
aufwändig und in der Regel für Großserienanwendungen
daher nicht geeignet.
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Ultraschallwandler,
insbesondere in den genannten Einsatzgebieten, müssen in
der Regel einer Vielzahl von Randbedingungen genügen. Eine
wichtige Anforderung besteht insbesondere in einer Medienresistenz
der Ultraschallwandler, insbesondere hinsichtlich der fluiden Medien,
in welchen die Ultraschallwandler ein gesetzt werden sollen. So sollen
Ultraschallwandler beispielsweise eine robuste Ultraschallluftmassenmessung,
beispielsweise als Ersatz für oder Ergänzung zu
herkömmlichen thermischen Luftmassenmessungen, darstellen
und sollen ein Schlüsselelement zur Erreichung harter Abgasnormen,
wie beispielsweise der EU6-Abgasnorm, darstellen. Zu diesem Zweck
müssen die Ultraschallwandler jedoch beispielsweise in
einer Ansaugatmosphäre eines Kraftfahrzeugs einsetzbar
sein, in welcher diese Umwelteinflüssen, einschließlich Feuchtigkeit, Öl,
Staub, Kraftstoffen, Abgasanteilen und/oder weiteren Chemikalien
ausgesetzt sind. Zusätzlich werden viele Ultraschallwandler
in Bereichen eingesetzt, in welchen das fluide Medium unter hohem
Druck steht. Beispielsweise kann ein Einsatz im Ansaugtrakt hinter
Turboladern erfolgen, und es können beispielsweise Druckbelastungen
von 2 bis 6 bar auftreten. Um eine derartige Medienresistenz und/oder
Druckresistenz zu gewährleisten, sind aus dem Stand der
Technik Ultraschallwandler bekannt, in welchen die schallabstrahlende
Fläche bzw. schallaufnehmende Fläche integraler
Bestandteil eines Wandlergehäuses und/oder eines Strömungsrohrs
ist. Als Beispiel sind die oben genannten Druckschriften
EP 0 766 071 A1 und
DE 42 39 773 C1 zu
nennen.
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Eine
weitere Anforderung an übliche Ultraschallwandler ist eine
thermische Stabilität. Ultraschallwandler können
in sehr großen Temperaturbereichen eingesetzt werden. Auch
hinsichtlich dieser Anforderung bietet die oben beschriebene Einkapselung
durch ein entsprechendes Gehäuse zumindest weitgehend eine
Lösung. Allerdings gerät die aus dem Stand der
Technik bekannte Einkapselung in ein Gehäuse in vielen
Fällen in einen Zielkonflikt einer dritten Anforderung,
welche gleichzeitig zur Medien/Druckresistenz und zur thermischen
Stabilität zu erfüllen ist, nämlich die
Anforderung bzgl. geeigneter akustischer Eigenschaften. Diese akustischen Eigenschaften
ihrerseits sind unterteilt in zwei Anforderungen, nämlich
die Anforderung, dass eine gute Kopplung der Ultraschallwellen zwischen
dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium erfolgen muss,
zu welchem Zweck beispielsweise eine oder mehrere der oben beschriebenen
Anpassschichten verwendet werden. Gleichzeitig sollte jedoch eine
gute Entkopplung gegenüber Körperschallausbreitung
gegeben sein, um beispielsweise das piezoelektrische Wandlerelement
vor derartigen Körperschallausbreitungen, beispielsweise über
ein Strömungsrohr oder Sensorgehäuse, zu schützen.
Diese Körperschallausbreitungen können von externen
Störquellen herrühren oder aber durch den gerade
sendenden Ultraschallwandler verursacht wer den und sich in dem gerade
empfangenden Ultraschallwandler mit dem durch das fluide Medium übertragenen
Schall überlagern und so zu Messfehlern führen.
Ist jedoch die schallabstrahlende bzw. schallaufnehmende Fläche
der Ultraschallwandler integraler Bestandteil des Wandlergehäuses
und/oder des Strömungsrohrs, so ist eine derartige Entkopplung
in der Regel nicht gegeben. Zur Körperschallentkopplung
werden daher im Stand der Technik häufig Formteile oder
Vergussbereiche aus Elastomermaterialien, Silikonmaterialien, Polyurethanmaterialien,
flexibilisierten Epoxy-Materialien oder geschäumten Materialien
eingesetzt. Diese Entkopplungsmaterialien werden in der Regel zwischen
dem Ultraschallwandler und dem Strömungsrohr oder Sensorgehäuse
eingebaut und sind ihrerseits den Medien direkt ausgesetzt. Von
sich aus medien- bzw. feuchteresistentere Elastomere wie z. B. fluorierte
Werkstoffe sind wiederum relativ hart und deshalb nur dann zur Entkopplung
geeignet, wenn die Übergänge zwischen Entkopplungswerkstoff
und Wandler bzw. Strömungsrohr bzw. Sensorgehäuse
eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweisen wie z.
B. bei einem O-Ring, der in erster Näherung einen linienförmigen
und damit kleinen Übergangsbereich ermöglicht.
Derartige Einschränkungen bzgl. der Geometrie des Entkopplungselements
führen allerdings zu einem unbefriedigenden Kompromiss
bzgl. Entkopplungswirkung und Druckfestigkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
werden daher Ultraschallwandler sowie Verfahren zur Herstellung
von Ultraschallwandlern vorgeschlagen, welche den oben beschriebenen
Zielkonflikt zumindest weitgehend lösen und sowohl medienresistente,
druckresistente, thermisch stabile als auch akustisch geeignete
Ultraschallwandler bereitstellen können. In einem ersten
Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers
zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Unter einem Ultraschallwandler
wird dabei allgemein ein Element beschrieben, welches akustische
Signale im Ultraschallbereich in ein fluides Medium emittieren bzw.
akustische Signale aus dem fluiden Medium aufnehmen kann und in
entsprechende elektrische Signale umwandeln kann. Diesbezüglich
kann beispielsweise auf den oben dargestellten Stand der Technik
verwiesen werden. Auch bezüglich des fluiden Mediums besteht
eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, wobei Gase und/oder
Flüssigkeiten einsetzbar sind. Besonders bevorzugt ist
die Verwendung in gasförmigen Medien, insbesondere in Luft,
insbesondere in einem Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
Insofern kann der Ultraschallwandler beispielsweise in einem Ultraschall-Durchflussmesser
eingesetzt werden.
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Bei
dem Verfahren wird mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement
direkt oder indirekt mit mindestens einem Anpasskörper
zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem
piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium verbunden.
Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit
zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler,
welche nach ferroelektrischen, elektrostatischen, magnetostriktiven,
magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten
können. Der Anpasskörper, welcher insbesondere
eine oder mehrere Anpassschichten umfassen kann, weist eine akustische
Impedanz auf, welche zwischen derjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements,
beispielsweise eines Piezomaterials des piezoelektrischen Wandlerelements,
und derjenigen des fluiden Mediums liegt. Vorzugsweise erfolgt durch
den Anpasskörper eine Impedanzanpassung, wobei beispielsweise
Membranen und/oder λ/4-Schichten eingesetzt werden können.
Auch bezüglich der Anpassschichten und deren Funktion kann
beispielsweise auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen
werden.
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Für
eine optimale Impedanzanpassung müsste das Material oder
die Materialkombination des Anpasskörpers, um die oben
dargestellten akustischen Anforderungen optimal zu erfüllen,
theoretisch eine Impedanz aufweisen, welche dem geometrischen Mittel
der Impedanzen des piezoelektrischen Wandlerelements und des fluiden
Mediums entspricht. Für den bevorzugten Einsatzzweck, nämlich
die Verwendung von Luft als fluidem Medium, ergeben sich für
typische Schallgeschwindigkeiten jedoch hieraus für die
Dichte des Anpasskörpers bzw. des in dem Anpasskörper
verwendeten Materials in vielen Fällen unrealistisch niedrige
Werte, welche in der Regel zu wenig robusten Werkstoffen führen
würden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen,
einen Anpasskörper zu verwenden, welcher mindestens einen
porösen Pressling eines Polymers aufweist. Insbesondere
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieser poröse
Pressling mindestens ein Polyimid umfasst, insbesondere ein Polyimid,
welches keine feststellbare Glasübergangstemperatur aufweist.
Beispielsweise lassen sich hierbei Polyimide einsetzen, welche unter
dem Handelsnamen „Vespel
®” von
DuPont erhältlich sind. Derartige Polyimide ohne feststellbare
Glasübergangstemperatur haben beispielsweise die folgende
chemische Struktur:
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Dabei
bezeichnet n eine ganze Zahl. Auch Derivate der genannten Polyimide
lassen sich einsetzen, beispielsweise Derivate, bei welchen Wasserstoffe
durch Substituenten ersetzt sind. Polyimide, insbesondere das genannte
Vespel®, weisen insbesondere geringe
oder keine Glasübergänge auf und sind beispielsweise dementsprechend
in einem hohen Temperaturbereich einsetzbar. So lassen sich Polyimide
beispielsweise in einem Temperaturbereich unterhalb von –100°C
noch einsetzen und sogar in einem Temperaturbereich noch oberhalb
von 300°C. Zudem weisen Polyimide in der Regel gegenüber
anderen Kunststoffen geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten
auf, so dass auch die Anforderungen hinsichtlich der oben dargestellten
thermischen Stabilität durch die Verwendung von Polyimiden
gut erfüllt werden können. Insbesondere kann bei Temperaturschockwechseln
eine Belastung der piezoelektrischen Wandlerelemente stark vermindert
werden. Gleichzeitig weisen Polyimide in aller Regel eine hohe Medienresistenz
auf, beispielsweise der hinsichtlich der oben dargestellten Umwelteinflüsse.
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Gleichzeitig
kann durch Verwendung eines Presslings eine Anpassschicht mit relativ
niedriger akustischer Impedanz hergestellt werden. Die Impedanz
kann durch die Porosität des Presslings stark und über
einen weiten Bereich beeinflusst werden, so dass beispielsweise
auch eine stufenweise Impedanzanpassung durch Verwendung mehrerer
Presslinge unterschiedlicher Porosität, beispielsweise
in einem Schichtaufbau möglich ist. Besonders bevorzugt
ist es, insbesondere bei der Verwendung von Polyimid und insbesondere Vespel®, wenn der poröse Pressling
eine Dichte zwischen 0,6 und 1,0 g/cm3 aufweist,
insbesondere eine Dichte bei ca. 0,8 g/cm3.
Derartige Dichten und die damit verbundenen entsprechenden Porositäten
bzw. Porenanteile haben sich für die Impedanzanpassung
insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 400 kHz,
beispielsweise im Bereich zwischen 250 kHz und 300 kHz, als besonders
geeignet ergeben. Die Dicke der Presslinge kann für eine
optimale Impedanzanpassung ungefähr als ¼ oder ¾ der
in dem Material vorliegenden Ultraschallwellenlänge Lambda
gewählt werden. Abhängig vom Messmedium, den umgebenden Geometrien
und Materialien innerhalb des Ultraschallwandlers und Anforderungen
bzgl. Temperaturgang oder spektraler Bandbreite erweisen sich meist
nicht genau die genannten ¼ oder ¾ Lambda als
optimale Dicke, so dass sich ein Bereich von ca. 0,5* bis 2*Lambda
als prinzipiell geeignet zeigt. Einer Abnahme der Schallgeschwindigkeit
mit steigender Temperatur und entsprechender Amplitudenabnahme kann
z. B. z. T. durch eine etwas reduzierte Schichtdicke des Presslings
entgegengewirkt werden und umgekehrt. Die Schallgeschwindigkeit
im Material des Anpasskörpers kann typischerweise in einem
Bereich von ca. 500 m/s bis ca. 3000 m/s liegen. Im Fall von porösem
Polyimid liegt die Schallgeschwindigkeit z. B. in einem Bereich
von ca. 500 m/s bis ca. 1500 m/s. Beispielsweise können
poröse Presslinge verwendet werden, welche eine Dicke zwischen
0,5 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,8 und 1,0 mm, aufweisen.
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Bei
porösen Presslingen ergibt sich in vielen Fällen
die technische Herausforderung, dass diese Medien aus der Umgebung
aufnehmen. Diese Medienaufnahme, beispielsweise die Aufnahme flüssiger
und/oder gasförmiger Medien, sowie gegebenenfalls eine
Aufnahme von Verunreinigungen, kann jedoch zu Veränderungen
der Eigenschaften der Anpasskörper führen. Insbesondere
stellt sich diese Problematik, wenn das piezoelektrische Wandlerelement
durch einen Klebeprozess mit dem Anpasskörper verbunden
wird. In diesem Fall kann beispielsweise Klebstoff in die Poren
des Anpasskörpers bzw. des porösen Presslings
eindringen, was die Stabilität der Klebung beeinträchtigen
kann. Andererseits können eindringende Stoffe den dichtereduzierten
Bereich mit der entsprechend reduzierten akustischen Impedanz verkleinern,
wodurch sich die effektiv wirkende Dicke des Anpasskörpers
verändert und somit auch deren Resonanzfrequenz und infolgedessen
die Übertragungscharakteristik des Ultraschallwandlers.
Auch aus dem fluiden Medium können jedoch Bestandteile,
beispielsweise Verunreinigungen, in den Pressling eintreten, was
ebenfalls Einfluss auf die Eigenschaften dieses porösen
Presslings haben kann. Zur Lösung dieser Herausforderung
wird in einer optionalen Variante des vorgeschlagenen Verfahrens
mindestens eine Abdichtung eingebracht bzw. aufgebracht, welche
eingerichtet ist, um den porösen Pressling zumindest teilweise
abzudichten. Diese Abdichtung kann beispielsweise auf den porösen
Pressling oder den Anpasskörper aufgebracht werden und
diesen zumindest teilweise bedecken. Auch eine unvollständige
Bedeckung ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin
kann, alternativ oder zusätzlich, die Abdichtung auch nicht
unmittelbar auf den Anpasskörper, beispielsweise den porösen
Pressling, aufgebracht werden, sondern diesen lediglich indirekt
abdichten, beispielsweise gegenüber dem fluiden Medium.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Membran verwendet werden.
Wiederum alternativ oder zusätzlich kann die Abdichtung
auch eingerichtet sein, um neben dem porösen Pressling
weitere Elemente des Ultraschallwandlers zumindest teilweise abzudichten,
beispielsweise eine Gehäuseöffnung, über
welche der piezoelektrische Wandler Ultraschallsignale mit dem fluiden
Medium austauschen kann. Auch eine Abdichtung von Entkoppelelementen,
welche der akustischen Entkopplung zwischen dem piezoelektrischen
Wandlerelement und dem Gehäuse dienen können,
kann erfolgen. Derartige Entkoppelelemente können beispielsweise eine
Shore-A-Härte im Bereich von 10 bis 60 aufweisen, beispielsweise
bei 25, sind jedoch in der Regel nicht oder nur schlecht medienresistent.
Wiederum alternativ oder zusätzlich kann auch eine Abdichtung
eines Dämpfungselements erfolgen, welches die Schwingung
des Piezos nach einer kurzen Anregung möglichst schnell
zur Ruhe bringt, damit diese potentielle Körperschallquelle
auf einen Zeitbereich weit genug vor dem Empfangssignal durch das
Fluid beschränkt bleibt. Mittels der vorgeschlagenen Abdichtung
kann also, zusätzlich zu dem porösen Pressling,
auch beispielsweise mindestens ein derartiges Entkopplungselement
oder Dämpfungselement abgedichtet werden.
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Diese
Abdichtung kann also auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Wie
oben dargestellt, kann diese Abdichtung beispielsweise die Verklebungsproblematik
zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem porösen
Pressling zumindest vermindern oder beseitigen. Zu diesem Zweck
kann die Abdichtung beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass
diese zumindest eine dem piezoelektrischen Wandlerelement zuweisende
Seite des porösen Presslings bzw. des Anpasskörpers
abdichtet. Alternativ oder zusätzlich können auch
die oben beschriebene Kontaminationsproblematik, nach welcher der
Pressling durch das fluide Medium kontaminiert werden kann, sowie
die Anforderungen an die Druck dichtigkeit zumindest teilweise durch
die Abdichtung gelöst werden. So kann, alternativ oder
zusätzlich zu einer dem piezoelektrischen Wandlerelement zuweisenden
Abdichtung, die Abdichtung alternativ oder zusätzlich auch
eingerichtet sein, um zumindest eine dem fluiden Medium zuweisende
Seite des porösen Presslings abzudichten. Die Abdichtung
kann, wie oben angedeutet, auf verschiedene Weise ausgestaltet sein,
wobei die Abdichtung auch unterschiedliche Arten von Abdichtungen
kombiniert umfassen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn zur Herstellung
der Abdichtung mindestens eine Beschichtung aufgebracht wird, beispielsweise
direkt oder indirekt auf den porösen Pressling und/oder
andere der oben beschriebenen abzudichtenden Bereiche bzw. Elemente
des Ultraschallwandlers. Dabei kann die Abdichtung beispielsweise
zumindest eine Oberfläche des porösen Presslings
zumindest teilweise bedecken. Auch eine vollständige Bedeckung
bzw. Abdichtung dieser mindestens einen Oberfläche oder
aller Oberflächen des porösen Presslings ist denkbar.
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Die
Abdichtung kann über den genannten Abdichtungszweck hinaus
auch noch, alternativ oder zusätzlich, anderen Zielsetzungen
dienen. So kann die Abdichtung beispielsweise eine Anpassung der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirken, beispielsweise zwischen
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlerelements
und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anpasskörpers.
Beispielsweise kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials
des piezoelektrischen Wandlerelements typischerweise unterhalb von
10 ppm/K liegen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des porösen
Presslings des Anpasskörpers kann beispielsweise bei mindestens
20 ppm/K oder darüber liegen. Die Abdichtung kann dementsprechend
ein Material aufweisen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
zwischen demjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements und demjenigen
des Anpasskörpers, insbesondere des porösen Presslings
des Anpasskörpers, liegt. Vorzugsweise liegt der thermische
Ausdehnungskoeffizient der Abdichtung näher an demjenigen
des piezoelektrischen Wandlerelements als an demjenigen des Anpasskörpers.
Weiterhin kann die Dicke der Abdichtung in der vom Anpasskörper
zum piezoelektrischen Wandlerelement weisenden Richtung so gewählt
werden, dass thermomechanische Alterungen des piezoelektrischen Wandlerelements
auf ein gewünschtes Maß reduziert werden. Beispielsweise
kann diese Dicke mindestens 0,5 mm betragen, vorzugsweise mindestens
1,0 mm und besonders bevorzugt mindestens 1,5 mm.
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Die
Beschichtung kann beispielsweise mindestens eine Polymerbeschichtung
aufweisen. Derartige Polymerbeschichtungen zur Abdichtung von verschiedenartigen
Elementen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich
bekannt. Besonders bevorzugt ist es, wenn derartige Polymerbeschichtungen
aus dem Vakuum aufgebracht werden, da, im Gegensatz beispielsweise
zu einer Flüssigphasenabscheidung, in diesem Fall eine
Kontamination des porösen Presslings vermieden werden kann.
Auch lassen sich auf diese Weise besonders dichte Beschichtungen
herstellen, welche den oben beschriebenen Abdichteffekt besonders
günstig gewährleisten. Insbesondere lassen sich
auf diese Weise beispielsweise Parylene aufbringen, so dass es besonders
bevorzugt ist, wenn die mindestens eine Beschichtung eine Parylene-enthaltende
Beschichtung ist und/oder vollständig aus Parylene hergestellt
ist. Parylene sind inerte, hydrophobe polymere Beschichtungsmaterialien,
welche in der Regel durch Kondensation aus der Gasphase als porenfreie
Polymerfilme auf ein Substrat aufgetragen werden können.
Allgemein ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders
bevorzugt, wenn der optionale Polymerfilm, welcher die Beschichtung
bildet oder Bestandteil der Beschichtung ist, porenfrei ausgestaltet
ist. Beispielsweise Parylene lassen sich auf praktisch jedes Substratmaterial
aufbringen. Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Parylene-Beschichtungen
sind di-para-Xylylen oder halogenierte Substituenten dieses Materials.
Diese können verdampft werden und beispielsweise durch
eine Hochtemperaturzone geleitet werden. Dabei kann sich ein hochreaktives
Monomer bilden, welches ein Diradikal ist und welches auf einer
Oberfläche eines zu beschichtenden Gegenstands zu einem
Polymer abreagieren kann.
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Alternativ
oder zusätzlich zu einer Beschichtung kann die Abdichtung
auch mindestens eine Folie umfassen. Wie oben dargestellt, kann
diese Folie beispielsweise den porösen Pressling ganz oder
teilweise bedecken. Weiterhin kann die Folie auch zusätzliche
Elemente des Ultraschallwandlers ganz oder teilweise mit bedecken
oder abdichten. So kann beispielsweise mit der mindestens einen
Folie eine Öffnung eines Gehäuses, welche dem
fluiden Medium zuweist, abgedichtet werden. Auf diese Weise kann
beispielsweise auch eine Druckfestigkeit erzielt werden, insbesondere
wenn durch eine Verengung oder einen zumindest Teilweisen Verschluss
des Sensorgehäuses auf der dem fluiden Medium abgewandten
Seite dafür gesorgt wird, dass sich das Innere des Wandlers
sich bei Druck belastung in diesem Bereich abstützen kann,
so dass die Folie bzw. die Verbindung zwischen Folie und Gehäuse
oder zwischen Folie und Anpasskörper möglichst
wenig belastet wird. Weiterhin kann mindestens ein Entkopplungselement
oder mindestens ein Dämpfungselement durch eine derartige
Folie und/oder auch durch eine Beschichtung mit geschützt
werden, da derartige Entkopplungs- oder Dämpfungselemente,
welche unten näher beschrieben werden, in der Regel wenig
medienresistent sind. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von
Kunststofffolien, beispielsweise wiederum Polyimid-Folien. So können
beispielsweise Kapton®-Folien in
der Abdichtung eingesetzt werden. Die Verwendung von Polyimid-Folien
kann sich als besonders vorteilhaft in Zusammenwirkung mit einem
Polyimid-Pressling erweisen, da aufgrund der ähnlichen
Materialeigenschaften beispielsweise thermische Spannungen reduziert
werden können.
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Wie
oben bereits mehrfach erwähnt, kann der Ultraschallwandler
weiterhin mindestens ein Gehäuse umfassen. Zwischen dem
Gehäuse und dem Anpasskörper und/oder dem piezoelektrischen
Wandlerelement kann weiterhin mindestens ein Entkopplungselement
eingebracht werden. Unter einem Entkopplungselement sind dabei allgemein
Elemente zu verstehen, welche eingerichtet sind, um eine Körperschallübertragung
zu dämpfen, in diesem Fall eine Körperschallübertragung
zwischen dem Gehäuse und dem Anpasskörper und/oder
dem piezoelektrischen Wandlerelement. Besonders bevorzugt ist es,
wenn dieses Entkopplungselement, welches beispielsweise in Form
eines Formlings und/oder einer Beschichtung und/oder einer Füllung
in das Gehäuse eingebracht werden kann, relativ welch ausgestaltet
ist. Beispielsweise kann das Entkopplungselement eine Shore-A-Härte
von weniger als 60, vorzugsweise von weniger als 25 aufweisen. Beispielsweise lassen
sich zu diesem Zweck Flüssigsilikone, andere Arten von
Silikonen oder andere Arten von Elastomeren einsetzen. Da, wie oben
beschrieben, viele der für das mindestens eine Entkopplungselement
geeigneten Materialien eine in der Regel geringe Medienresistenz
aufweisen ist es, wenn ein Entkopplungselement verwendet wird, besonders
bevorzugt, wenn die oben beschriebene optionale Abdichtung in diesem
Fall derart aufgebracht wird, dass diese das Entkopplungselement
zumindest teilweise gegenüber dem fluiden Medium abdichtet.
Auf diese Weise lassen sich die oben beschriebenen Anforderungen
hinsichtlich der akustischen Entkopplung und der Medienresistenz
und/oder Druckresistenz besonders gut erfüllen.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen
Ausführungsformen wird weiterhin ein Ultraschallwandler
zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher insbesondere
nach dem beschriebenen Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen
Verfahrensvarianten herstellbar oder hergestellt ist. Insofern kann
für mögliche Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers
weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Der Ultraschallwandler
umfasst mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens
einen Anpasskörper zur Begünstigung einer Schwingungskopplung
zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium.
Weiterhin umfasst der Anpasskörper mindestens einen porösen
Pressling eines Polymers.
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Weiterhin
wurde bereits oben dargelegt, dass bei der Herstellung des Ultraschallwandlers
eine Problematik bei einer unmittelbaren Verklebung zwischen dem
piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper auftreten
kann. Dort wurde vorgeschlagen, zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement
und dem Anpasskörper mindestens eine Abdichtung einzubringen.
Diese oben dargelegte optionale Ausgestaltung des oben beschriebenen
Verfahrens kann auch bei anderen Arten von Anpasskörpern
eingesetzt werden, welche nicht notwendigerweise einen porösen
Pressling enthalten müssen. So wird weiterhin ein Ultraschallwandler zum
Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, insbesondere ein
Ultraschallwandler gemäß der obigen Beschreibung
und/oder hergestellt bzw. herstellbar gemäß einem
Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen
Verfahrensvarianten, welcher mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement
und mindestens einen Anpasskörper zur Begünstigung
einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement
und dem fluiden Medium aufweist. Zwischen dem piezoelektrischen
Wandlerelement und dem Anpasskörper ist mindestens eine
Abdichtung eingebracht, wobei die Abdichtung eingerichtet ist, um ein
Eindringen von Klebstoff in den Anpasskörper zumindest
weitgehend zu verhindern. Bezüglich der möglichen
Ausgestaltung der Abdichtung, beispielsweise als Beschichtung und/oder
als Folie, kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Der
Anpasskörper kann wiederum porös ausgestaltet
sein, kann jedoch auch auf andere Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise
kann bezüglich möglicher Materialien des Anpasskörpers
auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden.
Beispielsweise lassen sich Kunststoffmaterialien einsetzen, welche
eine Impe danz zwischen der Impedanz des piezoelektrischen Wandlers
und des fluiden Mediums, beispielsweise der Luft, aufweisen. Beispiele
sind Epoxid- und/oder Polyesterharze, beispielsweise mit einer Beimischung
von Glashohlkugeln oder ähnlichem. Auch auf andere, aus
dem Stand der Technik bekannte Materialien für Anpassschichten
und/oder Anpasskörper kann verwiesen werden.
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Insgesamt
schlägt die vorliegende Erfindung also, zur Lösung
der oben beschriebenen Zielkonflikte zur Erfüllung der
verschiedenen Anforderungen, Maßnahmen vor, welche einzeln
oder auch in Kombination realisiert werden können und welche
insgesamt, insbesondere in Zusammenwirkung, eine erhöhte
Medien- und Druckresistenz, eine hohe thermische Stabilität
und gute akustische Eigenschaften bereitstellen.
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Die
erste, oben beschriebene Maßnahme, stellt die Verwendung
eines porösen Presslings mindestens eines Polymers in dem
Anpasskörper, beispielsweise als Anpassschicht, dar. Beispielsweise
kann es sich dabei um gepresstes, poröses Polyimid handeln.
Durch diese Maßnahme kann auf eine aufwändige
mikromechanische Bearbeitung des Polyimid-Materials verzichtet werden,
wie sie beispielsweise bei dem oben beschriebenen Artikel von M.
I. Haller et al. erforderlich ist. Polyimid weist gegenüber
herkömmlichen Epoxidharz-Glashohlkugel-Massen eine Reihe
von Vorteilen hinsichtlich der Verarbeitung auf und lässt
sich, durch entsprechende Beeinflussung des Pressvorgangs, mit maßgeschneiderten
Impedanzeigenschaften ausstatten. Das Fehlen eines Glasübergangs
beim Polyimid führt außerdem dazu, dass sich die
Resonanzfrequenz des Anpasskörpers über den abzudeckenden
Temperaturbereich des Ultraschallwandlers weniger ändert.
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Als
zweite, alternativ oder in Kombination einsetzbare Maßnahme,
wurde eine Abdichtung vorgeschlagen, welche gemäß einer
oder mehrerer der oben beschriebenen Optionen ausgeführt
sein kann. Beispielsweise kann eine Abdichtungsschicht auf dem Anpasskörper
auf der dem piezoelektrischen Wandler zugewandten Seite desselben
angeordnet sein. Auch eine Anordnung an anderen Stellen ist jedoch
grundsätzlich möglich. Eine Anordnung der Abdichtung
zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektrischen Wandler
ermöglicht jedoch eine größere Bandbreite
hinsichtlich der Materialauswahl des Anpasskörper-Materials,
wobei beispielsweise offenporiges Anpasskörpermaterial
in der Weise abgedichtet werden kann, dass Klebstoff von der Verklebung
mit dem piezoelektrischen Wandlerelement nicht oder nur geringfügig
in das Anpasskörpermaterial versickern kann. Ein derartiges
Versickern würde zu einer Verschlechterung der Klebung
und geänderten akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers
führen, was sich durch die vorgeschlagene Abdichtung vermeiden
lassen kann.
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Als
dritte Maßnahme, welche wiederum alternativ oder zusätzlich
zu den beiden vorhergehenden Maßnahmen eingesetzt werden
kann, lässt sich eine gemeinsame Abdichtung über
dem Anpasskörper und einem Entkopplungselement und/oder
einem Dämpfungselement einsetzen. Diese Abdichtung kann
beispielsweise als Abdichtungsschicht, als Abdichtungsfolie oder
als Kombination von Abdichtungen ausgestaltet sein, wie oben beschrieben
wurde. Beispielsweise kann eine gemeinsame Abdichtungsschicht über
dem Anpasskörper und dem Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement
hinweg verwendet werden, was wiederum eine höhere Breite
hinsichtlich der Materialauswahl für den Anpasskörper,
das Dämpfungselement und das optionale Entkopplungselement
bedingen kann. Auf diese Weise können beispielsweise die
akustischen und/oder thermischen Anforderungen, durch entsprechende
Materialauswahl der einzelnen Elemente, optimal berücksichtigt
werden. Derartige Materialien müssen in diesem Fall nicht
notwendigerweise eine gute Medienresistenz aufweisen, da das fluide
Medium vorzugsweise vollständig durch die Abdichtung von
dem Anpasskörper und/oder dem Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement
ferngehalten werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit einem Anpasskörper mit einer Beschichtung;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit
einem Anpasskörper mit einer Beschichtung und mit einer
Abdichtungsfolie; und
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit
einer Abdichtungsfolie zwischen einem piezoelektrischen Wandler
und einem Anpassungskörper.
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In
den 1 bis 3 sind verschiedene erfindungsgemäße
Ausgestaltungen eines Ultraschallwandlers 110 dargestellt.
Der Ultraschallwandler 110 ist dabei jeweils in Schnittdarstellung
von der Seite in einer stark schematisierten Form gezeigt. Über
die gezeigten Elemente hinaus kann der Ultraschallwandler 110 weitere,
nicht dargestellte Elemente umfassen. Der Ultraschallwandler 110 umfasst
in den drei Beispielen jeweils ein piezoelektrisches Wandlerelement 112,
welches beispielsweise über Anschlusskontakte 114,
welche in den Figuren lediglich angedeutet sind, elektrisch kontaktiert
werden kann, um das piezoelektrische Wandlerelement 112 mit
elektrischen Signalen zu beaufschlagen bzw. elektrische Signale
des piezoelektrischen Wandlerelements 112 abzufragen.
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Weiterhin
umfasst der Ultraschallwandler 110 in den in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen jeweils einen Anpasskörper 116,
beispielsweise einen aus einer oder mehreren Anpassschichten zusammengesetzten
Anpasskörper 116. Dieser Anpasskörper 116 wird
erfindungsgemäß unter Verwendung eines porösen
Presslings 118 eines Polymers hergestellt, wobei im Folgenden,
ohne Beschränkung möglicher weiterer Ausgestaltungen
des Polymers, angenommen wird, dass es sich um ein Polyimid handelt, insbesondere
um ein Polyimid ohne Schmelzpunkt und/oder ohne feststellbare Glasübergangstemperatur.
Besonders bevorzugt ist, wie oben dargestellt, die Verwendung von
Vespel®, welches von DuPont erhältlich
ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass insbesondere die Ausführungsbeispiele
gemäß den 2 und 3,
nämlich die Verwendung einer durchgehenden Abdichtungsfolie
(2) und die Verwendung einer Abdichtungsfolie zwischen
dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und den Anpasskörper 116,
wie oben dargestellt, zwar insbesondere in Verbindung mit der Verwendung
eines porösen Presslings 118 von Vorteil sind, jedoch
grundsätzlich auch unabhängig von der Verwendung
eines porösen Presslings 118 realisiert werden können.
So können beispielsweise auch andere, aus dem Stand der
Technik bekannte und üblicherweise für die Anpasskörper 116 verwendete
Materialien eingesetzt werden. Im Folgenden wird die Erfindung jedoch
unter Bezugnahme auf einen porösen Pressling 118 eines
Polymers beschrieben.
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Weiterhin
weisen die Ultraschallwandler 110 in den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 3 jeweils
eine Abdichtung 120 auf. Die Ausführungsbeispiele
gemäß den Figuren unterscheiden sich jedoch in
der Ausgestaltung dieser Abdichtung 120. So umfasst die
Abdichtung 120 in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 eine
Beschichtung 122, welche hier als den Anpasskörper 116 vollständig
umschließende Beschichtung 122 dargestellt ist.
Auch eine unvollständige Beschichtung ist jedoch grundsätzlich möglich.
Insbesondere ist die Beschichtung 122 in dem in den 1 und 2 dargestellten
Fall auf einer dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 zuweisenden
Oberfläche 124 des Anpasskörpers 116 aufgebracht.
Wie oben dargestellt, kann diese Beschichtung 122 damit
verhindern, dass Klebstoff einer Verklebung 126 zwischen
piezoelektrischem Wandlerelement 112 und Anpasskörper 116 ins
Innere des Anpasskörpers 116 eindringt, was die
Verklebung 126 in ihren Eigenschaften verschlechtern würde
und/oder die akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers 116 beeinflussen
könnte. Alternativ oder zusätzlich kann für
die Klebung 126 ein spezieller Klebstoff verwendet werden,
dessen Viskosität so hoch und/oder Aushärtezeit
so kurz bemessen ist, dass möglichst wenig Klebstoff in
den Anpasskörper eindringen. Dieser Klebstoff kann dann
die Rolle der Abdichtung 120 übernehmen bzw. mit
dieser zusammengefasst werden. Ein solcher spezieller Klebstoff
kann z. B. ein UV-aushärtender Klebstoff sein, der durch
Bestrahlung eine schnelle Voraushärtung oder vollständige
Aushärtung erfährt und damit den Anpasskörper
abdichtet und dann optional unter Wärmeeinfluss vollständig
ausgehärtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann
ein solcher Klebstoff heißthixotrop sein, d. h. während
des gesamten Aushärte-Temperaturprofils eine ausreichend
hohe Viskosität aufweisen, so dass der Klebstoff zwar die
Poren des Ausgleichskörpers verschließt und abdichtet,
aber nicht zu weit in den Ausgleichskörper hineinfließt.
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Alternativ
oder zusätzlich kann, wie ebenfalls in den 1 und 2 dargestellt,
die Beschichtung 122 auch auf einer Oberfläche 128 angeordnet
sein, welche im Betrieb des Ultraschallwandlers 110 dem
fluiden Medium zuweist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine
Kontamination des Anpasskörpers 116 aus dem fluiden
Medium heraus vermindert oder verhindert werden.
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Sämtliche
Ultraschallwandler 110 können weiterhin ein Gehäuse 130 aufweisen.
Dieses Gehäuse 130 ist dabei lediglich in den 2 und 3 ansatzweise
dargestellt, in 1 hingegen weggelassen. Auch
in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann
jedoch naturgemäß ein Gehäuse 130 vorhanden
sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2,
sowie optional auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen,
kann weiterhin mindestens ein Entkopplungselement 132 vorgesehen
sein, welches lediglich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gezeigt
ist. Dieses Entkopplungselement 132 ist zwischen das Gehäuse 130 und
den Anpasskörper 116 und/oder das piezoelektrische
Wandlerelement 112 eingebracht und vermindert eine Körperschallübertragung
von dem Gehäuse 130 auf das piezoelektrische Wandlerelement 112 bzw.
den Anpasskörper 116. Beispielsweise kann dieses
Entkopplungselement einen Verguss, einen Formkörper, eine
Beschichtung oder eine Kombination der genannten Elemente und/oder
anderer Elemente aufweisen. Beispielsweise kann das Entkopplungselement 132 aus
einem vergleichsweise weichen Material hergestellt sein, beispielsweise
einem Material mit einer Shore-A-Härte von 25 oder weniger.
Beispielsweise kann das Entkopplungselement 132 ein Polyurethan,
ein Silikon, ein Flüssigsilikon oder ähnliches
umfassen. Weiterhin kann mindestens ein Dämpfungselement
vorgesehen sein, welches den piezoelektrischen Wandler nach einer
Schwingungsanregung möglichst schnell zur Ruhe bringt.
Dieses kann beispielsweise ein Epoxy-Werkstoff, ein Polyurethan
oder ein Silikon umfassen und kann weitere Stoffe enthalten wie
z. B. gasförmige und/oder feste Füllstoffe.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst
die Abdichtung 120, alternativ oder zusätzlich
zur Beschichtung 122, weiterhin eine Folie 134.
Diese Folie 134 überspannt in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel eine gesamte Öffnung 136 des
Gehäuses 130, welche dem fluiden Medium zuweist.
Somit deckt die Folie 134 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
nicht nur den Anpasskörper 116 sondern auch das
Entkopplungselement 132 und/oder das Dämpfungselement
vollständig oder teilweise ab. Wie oben dargestellt, können
durch diese Abdichtung mittels der Folie 134 also auch
nicht-medienresistente Materialien für das Entkopplungselement 132 gewählt
werden, bzw. die Anforderungen hinsichtlich der Medienresistenz
für diese Materialien sinkt.
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Auch
bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
des Ultraschallwandlers 110 deckt eine Folie 134 als
Abdichtung 120 bzw. als Teil einer Abdichtung 120 die Öffnung 136 des
Gehäuses 130 vollständig oder zumindest
teilweise ab. In diesem Fall ist jedoch, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
gemäß 2, das piezoelektrische Wandlerelement 112 durch
die Folie 134 von dem Anpasskörper 116 getrennt.
Auf diese Weise wird, wie oben dargestellt, vorzugsweise verhindert,
dass Klebstoff der Verklebung 126 in den Anpasskörper 116 eindringen
kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann der Anpasskörper 116,
im Gegensatz zur unbeschichteten Darstellung gemäß 3,
auch eine Beschichtung 122 aufweisen, beispielsweise analog
zu den 1 und 2. Weiterhin kann, analog zum
Ausführungsbeispiel gemäß 2,
weiterhin auch wiederum mindestens ein Entkopplungselement 132 in
das Gehäuse 130 eingebracht werden. Verschiedene
Ausgestaltungen sind möglich.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere, wie oben
dargestellt, in der Verwendung eines porösen Presslings 118.
Dieser poröse Pressling 118 kann beispielsweise
ein Polyimid-Polymer umfassen. Optional können auch weitere
Stoffe enthalten sein, die z. B. während des Herstellprozesses
des Presslings erforderlich werden. Beispielsweise wurden Versuche
mit einer porösen Variante des Werkstoffs Vespel® der Firma DuPont durchgeführt.
Dieser Werkstoff ist kommerziell erhältlich und wird beispielsweise
als hochtemperaturfester Leichtbaustoff und/oder als Dichtungswerkstoff
in Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Das Material hat hervorragende
mechanische, thermische und akustische Eigenschaften. Im Gegensatz
zu den üblichen Epoxid-Glashohlkugel-Anpassschichten hat
Vespel® keinen Glasübergang,
bei dem das Material erweichen würde. Vespel® ist
chemisch absolut inert und stabil gegenüber einem extrem
weiten Temperatureinsatzbereich, beispielsweise Temperaturen gegenüber
weniger als –100°C und mehr als 300°C.
Andererseits ist Vespel®, je nach
Herstellparametern, vor allem in der für Ultraschallanwendungen
benötigten dichtereduzierten Variante so offenporig, dass
Klebstoff so weit im Material versickern kann, dass entweder die
Klebung eine geringere Festigkeit aufweist, oder aber die Poren
des Anpasskörpers 116 sich soweit füllen
würden, dass sich die akustische Impedanz zu stark verändert.
Zu diesem Zweck können, wie oben dargestellt, die verschiedenen
Varianten der Abdichtung 120, welche in den 1 bis 3 dargestellt
sind, eingesetzt werden, so dass sich die Verwendung derartiger
Abdichtungen 120 besonders gut mit porösen Presslingen 118 aus
Po lyimiden, insbesondere Vespel®,
kombinieren lässt. Auch ein Eindringen von Feuchtigkeit
und/oder aggressiven Bestandteilen des fluiden Mediums, beispielsweise
aus einer Ansaugatmosphäre eines Kraftfahrzeugs, ins Innere
des Ultraschallwandlers 110 und/oder der angrenzenden Elektronik,
lassen sich durch die Abdichtung 120 verhindern, beispielsweise
durch die Abdichtungen gemäß den 2 und 3.
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Zur
Anwendung als akustische Impedanzanpassung einer Piezokeramik an
Luft kann die Dichte des porösen Presslings
118 durch
dessen Herstell- bzw. den Pressprozess gezielt eingestellt werden.
Da sich die akustische Impedanz Z als Produkt aus der Schallgeschwindigkeit
und der Dichte des Anpasskörper-Werkstoffs ergibt, lässt
sich auf diese Weise auch die Impedanz über einen weiten
Bereich einstellen. Für ebene, monospektrale Wellen würde
eine Impedanz im geometrischen Mittel
zwischen der Impedanz des
Materials des piezoelektrischen Wandlerelements
112 (Z
Piezo) und der Impedanz des fluiden Mediums
(Z
Luft), hier Luft, eine optimale Energieübertragung
ergeben, falls der Anpasskörper
116 die Dicke
einer Viertel Wellenlänge (λ/4) der akustischen
Wellen hat. Alternative Dicken für eine optimale Energieübertragung
sind ungradzahlige Vielfache der Wellenlänge λ,
allerdings werden die entsprechenden Resonanzen spektral immer schmäler.
Für relativ kurze, spektral breitbandigere Ultraschallpulse
und realistische, dreidimensionale Abmessungen des piezoelektrischen
Wandlerelements
112 und des Anpasskörpers
116 können
jedoch der optimale Impedanzwert und die optimale Schichtdicke des
Anpasskörpers
116 hinsichtlich Energieübertragung
und Wandlerbandbreite abweichend von dieser Rechnung völlig
anders zu wählen sein, insbesondere wenn eine zusätzliche
Schutzschicht verwendet wird. Entsprechende Zielwerte lassen sich
beispielsweise über Musteraufbauten mit herkömmlichen
Epoxid-Glashohlkugel-Materialien, im Vergleich mit unterschiedlichen
Polyimid-Materialvarianten, empirisch ermitteln. Auch eine analytische
oder semianalytische Bestimmung ist möglich, beispielsweise
wie in der oben beschriebenen Veröffentlichung von
M.
I. Haller et al. aufgezeigt.
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Für
zylindrische piezoelektrische Wandlerelemente 112 mit den
Abmessungen von beispielsweise 8 mm Durchmesser und 2 mm Dicke sowie
einer Radial-Resonanzfrequenz in der Größenordnung
von 200 kHz zeigen sich beispielsweise dichtereduzierte Vespel®-Scheibchen als poröse
Presslinge 118 mit einer Dichte von ca. 0,8 g/cm3 und einer Dicke von ca. 0,8 bis 1,2 mm
als vorteilhaft bezüglich der akustischen Anforderungen.
Wird eine Piezokeramik auf ein Vespel®-Scheibchen
aufgeklebt, dann kann jedoch, wie oben dargestellt, der Klebstoff
so weit in das Scheibchen einsickern, dass die Stabilität
der Klebung ungenügend wird bzw. dass sich die akustischen
Eigenschaften des Anpasskörpers 116 zu stark verändern
können. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Vespel®-Scheibchen und/oder der auf andere
Weise ausgestaltete Anpasskörper 116 vor dem Verkleben
mit der Beschichtung 122 versehen werden, beispielsweise
einer Parylene-Beschichtung. Derartige Beschichtungen, welche vorzugsweise
aus der Gasphase aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines
CVD-Verfahrens (CVD: Chemical Vapor Deposition, chemische Gasphasenabscheidung)
sind dem Fachmann bekannt. Durch derartige Beschichtungen 122 als
Teil von Abdichtungen 120 kann der Klebstoff einer Verklebung 126 an
der Oberfläche des Anpasskörpers 116 gehalten
werden.
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Die
Beschichtung 122, insbesondere die Parylene-Beschichtung,
kann auch, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt,
auf der dem fluiden Medium zugewandten Seite bzw. Oberfläche 128 des Anpasskörpers 116 eingesetzt
werden, um diese gegenüber aggressiven Medien abzudichten.
Eine derartige Beschichtung 122 bzw. Abdichtung 120 kann
sich auch, wie beispielsweise in 2 dargestellt, über
den Anpasskörper 116 hinaus erstrecken. So kann
diese Beschichtung 122 bzw. Abdichtung 120 auch
beispielsweise das piezoelektrische Wandlerelement 112 und/oder
eine Entkopplungselement 132, welches beispielsweise als
Dämpfungselement eingesetzt wird, ganz oder teilweise mit
abdecken und dadurch abdichten. Wie oben beschrieben, erfordert
die Verwendung eines Entkoppungselements 132 für
die meisten Anwendungen einen Kunststoff mit relativ geringen Shore-Härten,
beispielsweise Shore-A-Härten im Bereich zwischen 25 und
30. Derartige Kunststoffe, beispielsweise Silikone, sind dann jedoch,
wie oben dargestellt, zumeist wenig resistent gegenüber
Wasser, Kraftstoffen oder anderen Bestandteilen einer Kraftfahrzeug-Ansaugatmosphäre.
Die Folge kann beispielsweise eine Undichtigkeit, eine Quellung,
eine Zersetzung oder eine Änderung der akustisch/mechanischen
Eigenschaften sein. Fluorierte Silikone hingegen sind in vielen
Fällen zu hart für eine effektive Entkopplung
und meist nur als Formteile einsetzbar. Separate Formteile im Entkopplungselement 132 erhöhen
jedoch in der Regel die Kosten und bedingen eine komplexere Fertigung,
wodurch auch das Risiko entstehen kann, dass unerwünschte
Medien an dem Formteil vorbeikriechen oder vorbeidiffundieren. Eine
zusätzliche Abdichtung 120 in Form einer Beschichtung 122 und/oder
einer Folie 134, wie beispielsweise in den 2 oder 3 dargestellt,
ermöglicht hingegen den Einsatz wenig resistenter Entkopplungsmaterialien,
die beispielsweise rein nach akustischen und/oder nach Fertigungsgesichtspunkten
ausgewählt sein können. Der Begriff der Folie 134 ist
in diesem Zusammenhang als Verallgemeinerung einer Beschichtung 122 zu
sehen, so dass unter diesem Begriff beispielsweise freitragende
Folien oder auch Beschichtungen 122 zu subsumieren sind,
welche mehrere Bauelemente abdecken können.
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Alternativ
oder zusätzlich zu einer Beschichtung 122 aus
Parylene kann auch beispielsweise Kapton® verwendet
werden. Kapton® oder, verallgemeinert,
Polyimide, kann beispielsweise wiederum in Form einer oder mehrerer
Folien 134 eingesetzt werden. Auf diese Weise können,
wie beispielsweise in 2 dargestellt, der Anpasskörper 116 und
das Entkopplungselement 132 gemeinsam abgedichtet werden.
Insbesondere die Kombination von Vespel® und
einer Kapton®-Folie kann aufgrund
der chemischen Ähnlichkeit, insbesondere hinsichtlich thermischer
und/oder thermomechanischer Eigenschaften, besonders vorteilhaft
sein. Wird beispielsweise Kapton® als
Abdichtung 120 und/oder als Bestandteil dieser Abdichtung 120 verwendet,
dann darf dieses Material, beispielsweise in Form einer Folie 134,
bei der in 3 dargestellten Verwendung zwischen dem
piezoelektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 116 vorzugsweise
eine Dicke von mehr als 100 μm aufweisen, weil in dieser
Position, zusammen mit der Piezokeramik des piezoelektrischen Wandlerelements 112,
kein hoher Impedanz-Mismatch (Impedanzunterschied oder Impedanz-Fehlanpassung)
besteht. Im Gegensatz dazu sollte die Folie 134 bei dem
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel,
was auch bei mit einer Ausführungsform gemäß 3 kombinierbar
ist, vergleichsweise dünn sein und beispielsweise eine
Dicke von weniger als 50 μm, vorzugsweise höchstens
25 μm aufweisen, um die akustische Impedanzanpassung nicht
wieder zunichte zu machen.
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Soll
die Folie 134, wie beispielsweise in 2 dargestellt,
hingegen über den Anpasskörper 116 hinausragen
und beispielsweise einen mit dem Entkopplungselement 132 und/oder
luftgefüllten Entkopplungsspalt 138 zwischen dem
Gehäuse 130 und Anpasskörper 116 bzw.
dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 mit abdichten,
dann sollte jedoch an dieser Stelle ebenfalls eine Folie 134 von vorzugsweise
weniger als 25 μm eingesetzt werden, da sonst die Gefahr
besteht, dass über diese Folie 134 eine erhöhte
Menge an Körperschall übertragen werden kann.
Die Folie 134, beispielsweise ein Kapton®-
und/oder Polyimid-Folie, kann beispielsweise selbstklebend ausgestaltet
sein. So kann eine derartige Folie 134 beispielsweise vor
einer Verbindung mit dem Anpasskörper 116 mit
einem Klebstoff behandelt worden sein. Alternativ kann die Folie 134 jedoch
auch ohne einen zusätzlichen Klebstoff und ohne eine Beschichtung 122,
beispielsweise eine Parylene-Beschichtung, aufgebracht werden, beispielsweise
auf den Anpasskörper 116 und/oder weitere Elemente des
Ultraschallwandlers 110.
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Wie
oben dargestellt, lässt sich die Verwendung einer Abdichtung 120,
beispielsweise einer Folie 134 und/oder einer Beschichtung 122,
beispielsweise unter Verwendung von Kapton® und/oder
Parylene, auch bei anderen Arten von Anpasskörpern 116 einsetzen
als Anpasskörpern 116, welche poröse
Presslinge 118 einsetzen. So lassen sich derartige Abdichtungen 120 beispielsweise
auch vorteilhaft bei Epoxid-Glashohlkugel-Anpasskörpern 120 einsetzen.
Auch in diesem Fall können sich die Abdichtungen 120,
wie beispielsweise in 2, auch über zusätzliche
Elemente des Ultraschallwandlers 110, beispielsweise Entkopplungselemente 132,
mit erstrecken.
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Der
Anpasskörper 120, insbesondere eine Anpassschicht,
kann auch im unausgehärteten Zustand mit dem piezoelektrischen
Wandlerelement 112 und/oder mit der Abdichtung 120,
beispielsweise einer Folie 134, in Kontakt gebracht werden.
Dabei kann die Abdichtung 120 bzw. die Folie 134 auch
als „verlorene Form” oder als am Bauteil verbleibende
Entformungshilfe für das Material des Anpasskörpers 116 dienen
und im fertig aufgebauten Ultraschallwandler 110 das Entkopplungselement 132 mit
abdecken. Auf diese Weise kann für ein medienresistentes
Wandlerdesign gesorgt werden.
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Die
Abdichtung 120, beispielsweise die Beschichtung 122 und/oder
die Folie 134, kann, alternativ oder zusätzlich
zu den genannten Materialien Parylene und/oder Kapton® bzw.
Polyimid, auch andere Materialien umfassen. So können,
alternativ oder zusätzlich, auch beispielsweise ein oder
mehrere Lackschichten und/oder andere Arten von Kunststoffen und/oder
Metalle, beispielsweise dünne Metallschichten, eingesetzt werden.
Zwar erfolgt in der Regel die Abstrahlung des Ultraschalls in das
fluide Medium (beispielsweise Luft) hinein bzw. die Ein strahlung
des Ultraschalls aus diesem fluiden Medium in den Ultraschallwandler 110 hinein letztendlich
durch die für die Dichtheit sorgende und sich in der Regel
damit bewegende Abdichtung 120 hindurch. Diese Abdichtung 120 ist
jedoch nicht selbst als Resonanzkörper oder Anpasskörper 116 zu
verstehen, wie dies beispielsweise in Wandlern der Fall ist, die
beispielsweise eine fest mit dem Gehäuse 130 und/oder einem
Strömungsrohr verbundene Abstrahlschicht aufweisen, die
eine Membranresonanz oder Dickenschwingung zur verbesserten Schalleinkopplung
ausführt. Die Abdichtung 120 ist somit vorzugsweise
vollständig als ein von dem Gehäuse 130 separat
ausgestaltetes Bauelement ausgeführt. Verläuft
die Abdichtung 120 zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und
der dem Anpasskörper 116, wie dies beispielsweise
in 3 der Fall ist, und erstreckt sich von dort aus über
ein Entkopplungselement 132 hinweg, dann kann die abstrahlende
Oberfläche des Anpasskörpers 116 beispielsweise
besonders gut konturiert werden. So kann beispielsweise mittels
Fasen die Abstrahlcharakteristik günstig beeinflusst werden.
Eine an dieser Position angebrachte, elektrisch leitfähige
und/oder leitfähig beschichtete Abdichtung 120 kann
außerdem dazu verwendet werden, das piezoelektrische Wandlerelement 112 über
eine Leitklebung und über die Abdichtung 120 mit einem
metallischen Gehäuse 130 und/oder einer anderen
Zuleitung elektrisch zu verbinden.
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Das
Gehäuse 130 kann grundsätzlich aus beliebigen,
vorzugsweise harten Materialien hergestellt werden, beispielsweise
Kunststoffen und/oder Metallen. Auch das Gehäuse 130 kann
ganz oder teilweise von der Abdichtung 120 bedeckt sein.
Falls der Ultraschallwandler 110, beispielsweise in Form
des Gehäuses 130, metallische Materialien umfasst,
so können diese ebenfalls durch die Abdichtung 120 auch
in Richtung des fluiden Mediums, beispielsweise in Richtung der
Luft, elektrisch isoliert werden, falls die Abdichtung 120 zumindest
in diesem Bereich nicht leitfähig ist. Elektrisch leitfähige
Gehäuse-Bestandteile und/oder eine elektrische leitfähige
Schutzschicht in der Abdichtung 120 können gleichzeitig
als EMV-Maßnahme, das heißt zur elektromagnetischen
Abschirmung, dienen.
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Der
Ultraschallwandler 110 kann außer dem Anpasskörper 116 und
der Abdichtung 120, beispielsweise in Form der Folie 130 und/oder
der Beschichtung 122, weitere Schichten enthalten. So können,
alternativ oder zusätzlich, beispielsweise mindestens ein
thermisch/mechanisches und/oder akustisch wirkendes Aus gleichs-
oder Stabilisierungselement zwischen der Abdichtung 120,
beispielsweise der Folie 134 und/oder der Beschichtung 122,
und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 oder zwischen
der Abdichtung 120 und dem Anpasskörper 116 vorgesehen
sein. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, der Ultraschallwandler 110 auch
mit einem zusätzlichen Dämpfungselement ausgestattet
werden. Beispielsweise kann ein verbleibender Innenraum des Gehäuses 130 durch
einen Vergussstoff und/oder ein angedrücktes Elastomer
zumindest teilweise ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann
der Ultraschallwandler beispielsweise rückseitig und/oder
radial bedämpft werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007010500
A1 [0002]
- - DE 4230773 C1 [0002]
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- - DE 4239773 C1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - M. I. Haller
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IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, 937 bis 939 [0004]
- - M. I. Haller et al. [0021]
- - M. I. Haller et al. [0037]
