DE2611780A1 - Ultraschallwandler und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Ultraschallwandler und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER
ZWIRNER . HIRSCH
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Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadedcestraBe 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313
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Improvecon Corporation
Port Huron, Michigan, USA
Port Huron, Michigan, USA
ültraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft Abstandsmeövorrichtungen und insbesondere
einen Ultraschallwandler, der besonders geeignet ist
zur Messung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder-Behälter, sowie eine Methode zur Herstellung eines solchen
Ultras challwandlers.
Es gibt bereits den Vorschlag, Ultraschallmeßznethoden zur überwachung oder Messung der Materialhöhe in einem Vorratstank
oder-Behälter zu verwenden. Wie in der US-PS 2 943 296
gezeigt ist, kann ein Ultraschallwandler beispielsweise an der Oberwand des Vorratstanks befestigt und so ausgerichtet
werden, daß er Impulse nach unten auf die obere Fläche gespeicherten Materials richtet und von dort reflektierte Echo-
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München: Kramer. Dr.Wessr · Hirsch — Wiesbaden:Blumbach · Dr.Bergen · Zwirner
impulse empfängt, wobei die ausgesendeten oder Echoimpulse
den "Kopfraum" oder die Luft zwischen der Tankoberseite und
der Materialoberfläche durchlaufen. Geeignete elektronische Verarbeitungsschaltungen, typischerweise ein Analogsignalprozessor,
sind vorgesehen, um eine Anzeige der MaterialhShe durch Messen der Hin- und -her-Laufzeit einer Sende/
Echo-Impulsfolge zu ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler, der sowohl wirtschaftlich herzustellen ist als auch zuverlässig
arbeitet, verfügbar zu machen sowie eine Methode zu dessen Herstellung.
Ferner soll ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht werden, der während der Herstellung auf einfache Weise auf eine gewünschte
Resonanzfrequenz abgestimmt werden kann.
Außerdem soll eine vereinfachte Methode geschaffen werden, um einen Ultraschallwandler genau auf eine gewünschte Resonanzfrequenz
abzustimmen.
Insbesondere soll ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht werden, der besonders geeignet ist zur Verwendung bei der
Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder-Behälter.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 12 angegebenen Merkmale gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht, teilweise im Schnitt, eines Materialvorratstanks,
in welchem das Material überwacht wird, wobei die erfindungsgemäß ausgebildete Antenne gegenüber dem Tank in vergrößertem Maßstab
gezeigt ist;
Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht der in zwei Hälften zerschnittenen Wandlerantennenanordnung, die in
Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 eine Schnittansicht der seitlich in zwei Hälften aufgeteilten Wandlerbecheranordnung, wie sie in den
Fig. 1,2 und 4 gezeigt ist, jedoch gegenüber Fig. umgekehrt, und zwar längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
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Fig. 6 eine graphische Kurve zur Darstellung der Resonanzfrequenzkennlinien
der in Fig. 5 gezeigten Wandlerbecheranordnung; und
Fig. 7 und 8 zusammengesetzte Kurven, welche die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien
verschiedener erfindungsgemäß aufgebauter Wandlerbecheranordnungen zeigen.
In Fig. 1 ist ein Materialvorratstank 10 gezeigt, der eine
zylindrische Seitenwand 12 und ein Oberteil 14 aufweist. Ein Material 16, das flüssig oder fest sein kann, wie beispielsweise
Getreide, Kohle oder Steine, ist im Tank 10 gespeichert und besitzt eine obere Oberfläche 18, die überwacht werden
soll, um eine Anzeige für die Materialhöhe zu schaffen. Der Tank 10 kann natürlich aus irgendeinem geeigneten Material
hergestellt sein und eine geeignete Vorrichtung (nicht dargestellt) zum Einfüllen und Ablassen von Material 16 in den
Tank bzw. aus dem Tank aufweisen.
Erfindungsgemäß ist eine Wandlerantennenanordnung 20 im Inneren des Tankes so angeordnet, daß sie von der Tankoberseite
14 herabhängt. Sie weist einen parabolischen Reflektor 22 und einen Ultraschallwandler auf, der im Reflektorbrennpunkt angeordnet
ist. Der Reflektor 22 richtet oder reflektiert Ultraschallimpulse, die vom Wandler 24 nach oben austreten, nach
unten zur Oberfläche 18 hin, wie es 26 zeigt, und empfängt gleichermaßen Echoimpulse, die von der Oberfläche 18 nach
oben reflektiert worden sind, und reflektiert oder richtet die Echoimpulse auf den Wandler 24. Die Sende- und Echoimpulse
durchlaufen den "Kopfraum1· oder die Luft zwischen dem
Tankoberteil 14 und der Material oberfläche 18. Die Wandlerantennenanordnung
20 ist mittels eines Koaxialkabels 28 mit einer Materialhöhensteuerelektronik 30 verbunden.
Eine Ausführungsform einer Steuerelektronik 30, die zur Verwendung
mit der Wandlerantennenanordnung 20 der vorliegenden Anmeldung geeignet ist, ist Gegenstand einer gleichzeitig
eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin, und zwar des Erfinders Ellery P. Snyder. Da die in dieser anderen Anmeldung
beschriebene Steuerelektronik keinen Teil der vorliegenden
Erfindung bildet und zu deren Verständnis nicht angegeben zu werden braucht, ist eine weitere Diskussion einer
solchen Elektronik nicht erforderlich. Hinsichtlich einer ausführlichen Diskussion einer geeigneten Ausführungsform
einer Steuerelektronik 30 wird auf diese andere Anmeldung verwiesen.
Der Aufbau einer derzeit bevorzugten Ausführungsform einer Wandlerantennenanordnung 20 ist ausführlich in den Fig. 2 bis
5 gezeigt, die alle maßstabsgerecht gezeichnet sind. Gemäß
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den Fig. 2 bis 4 ist ein Parabolreflektor 22 aus mit Fiberglas verstärktem Kunststoff gegossen und umfaßt ein integriertes
zylinderförmiges Reflektorgehäuse150, das sich vertikal vom eigentlichen Reflektor 152 erstreckt. Innerhalb
des Gehäuses 150 befindet sich ein Impedanzanpassungsimpulsumformer
154 mit Primär- und Sekundärwicklungen, die um einen toroidförmigen Kern aus ferromagnetischem Material
in einem bevorzugten Sekundär/Primär-MLcklungsverhältnis von
5:1 gewickelt sind. Dadurch, daß auf solche Weise ein Impulsumformer in der Steuerelektronik-Wandler-Verbindungsleitung
vorgesehen ist, werden Elektronik und Wandler jeweils an die Impedanz des Kabels 28 (Fig. 1) angepaßt, während
gleichzeitig eine 25 : 1-Impedanzerhöhung zwischen der Kabelleitung
und dem Wandler erreicht wird. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Leistungsübertragungswirkungsgrades
zwischen der Elektronik und dem Wandler. Überdies erlaubt es die Anordnung des Impulsumformers beim Wandler, entfernt
von der Steuerelektronik, zur Verbindung der Steuerelektronik mit dem Wandler ein Kabel niedriger Impedanz zu
verwenden und die Hochspannungsschaltungen der Anlage innerhalb einer Schutzumhüllung bein Wandler unterzubringen. Den
Impulsumformer in der Elektronik-Wandler-Verbindungsleitung vorzusehen, ist ein Gegenstand der oben erwähnten gleichzeitigen
Anmeldung der Anmelderin vom Erfinder Snyder.
Die Umformerwindungen sind mit einer Anschlußleiste 155 verbunden und die Primärwicklung ist von da aus über ein Kabel
28 mit der Steuerelektronik 30 (Fig. 1) verbunden. Ein Thermistor 156, der eine Anzeige für die Umgebungstemperatur innerhalb
des Vorratstanks 10 (Fig. 1) gibt, ist in der Wand des Gehäuses 152 eingebettet und über eine zweite Anschlußleiste
158 (Fig. 3) und ein Kabel 54 mit der Steuerelektronik
30 verbunden. Das auf diese Weise der Elektronik 30 vom Thermistor 154 zur Verfügung gestellte Signal kann verwendet
werden, um Veränderungen der Geschwindigkeit der Ultraschallmeßimpulse in Luft zu kompensieren.
Eine Reflektorgehäuseabdeckung 160 ist auf das Gehäuse 152 gepreßt und an diesem befestigt. Es nimmt ein mit Gewinde
versehenes Ende 164 eines Wandlerbefestigungsnippels 162 auf. Das Gehäuse 152 wird dann mit einem geeigneten Einkapselungsmittel,
wie RTV, gefüllt. Ein zweites mit Gewinde versehenes Nippelende 166 kann eine Befestigungsmutter I68 aufnehmen,
um die Wandlerantennenanordnung 20 sicher am Tankoberteil 14 zu befestigen. Ein akustischer Absorberblock
167 aus Fiberglas ist gegenüber dem Wandler 24 mittig im Reflektor 154 angeordnet, um die Erzeugung stehender Wellen
zwischen dem Wandler und dem Reflektor zu unterbinden. Der Block 167 wird mittels eines Schirms 169 in Stellung gehalten.
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Drei parallele, hohle, nickelplattierte Rohre 170 aus Stahl
oder rostfreiem Stahl sind am Reflektor 22 befestigt, z. B. durch Muttern 172 und Klemmringe 173, und halten den Ultraschallwandler
24 im Reflektorbrennpunkt. Ein dreieckiger Befestigungsblock 176 aus glasfaserverstärktem Kunststoff
weist an den einzelnen Dreiecksspitzen Gewindelöcher 178 zur Aufnahme der jeweiligen mit Gewinde versehenen Enden
der Tragrohre 170 auf. Das offene Ende einer ¥andlerbecheranordnung 174 ist axial in eine Mittelbohrung 180 im
Block 176 gepreßt und mittels einer Schraube 177 in seiner Stellung festgelegt, die von fluchtenden Löchern 179, 181
im Gehäuse 176 bzw. einer Becherwand 190 aufgenommen wird, wobei das Loch 181 zur Aufnahme der Schraube mit einem Gewinde
versehen ist. Ein Kabel 182 ist mit einem Anschlußblock 155 (Fig. 3) verbunden und dann durch eines der Halterohre
170 (Fig. 2) geführt, um die Sekundärwicklung des Umformers 154 mit Becheranordnungsanschlüssen 184, 186 (Fig. 4)
zu verbinden. Der Hohlraum 188 (Fig. 2), der durch die Becheranordnung 174 und den Block 176 gebildet ist, ist mit
RTV-Einkapslungsmittel gefüllt, und eine Abdeckung 189 ist
am Block 176 befestigt, um den Hohlraum und die Rohrlöcher 178 abzudecken.
Nach Fig. 5 umfaßt die Wandlerbecheranordnung 174 ein rohrförmiges
Gehäuse oder eine hohle Kapsel 190, die vorzugsweise
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aus Aluminium hergestellt ist und eine Kapselenden 192, 194
öffnende axiale zylindrische Bohrung 196 aufweist, und ein aus Schichten zusammengesetztes Schwingelement 195, das
einen piezoelektrischen Kristall 198 mit sich gegenüberliegenden parallelen Vorder- und Hinterstirnflächen 197, 199
aufweist, der mittels einer Schicht 202 aus Haftmaterial an einer Wandleraufsatzplatte oder einer Membran 200 befestigt
ist, die vorzugsweise aus Aluminium besteht. Wenn der Kristall 198 durch die Steuerelektronik 30 (Fig. 1) erregt
wird, bilden der Kristall und die Membran 200 einen schwingenden "Verbundträger", der inneren Biegespannungen ausgesetzt
wird. Die neutrale Biegeachse der Kristall/Membran-Kombination befindet sich vorzugsweise in der Haftschicht
202 oder innerhalb der Membran 200 dicht neben der Haftschicht, um sicherzustellen, daß der Kristall 198 entweder
Zug- oder Druckspannungen ausgesetzt wird, jedoch nicht beiden gleichzeitig, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines
Kristall- oder Membranbruchs oder ein Loslösen des Kristalls von der Membran verringert wird. Weitere Information
hinsichtlich der Parameter und Konstruktionskriterien für den Aufbau eines Verbundträgers so, daß die neutrale Biegeachse
erfindungsgemäß angeordnet ist, kann man "Strengths of Materials, Part 2, Advanced Theory and Problems", S.
Timoshenko, 2. Ausgabe, 13. Druck, D. VanNostrand Co., Inc., New York, N.Y., entnehmen und außerdem sind weitere Einzel-
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heiten nachfolgend angegeben. Das Haftmittel ist vorzugsweise leitend, wie silberdotiertes Epoxy- oder mit Silber angereichertes
Lot. Die Membran 200 ist in das Ende 194 der Kapsel 190 mit Übermaßpassung eingepreßt, wie es ausführlicher
nachfolgend erläutert ist, nachdem eine oder beide zueinander passenden Umfangsoberflächen mit einem geeigneten
anaeroben Füllmittel beschichtet worden sind, um die Spalte zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand zu füllen
und somit die mechanische Kopplung zwischen dem Element 195 und der Kapsel 190 durch Ausschalten von Grenzschichtlücken
zwischen diesen zu verbessern.
Eine Anschlußleiste 204 ist an der Kapsel 190 mittels einer Schraube 206 befestigt, die in einer entsprechenden Gewindeöffnung
208 in der Kapselwand aufgenommen wird. Der Anschluß 184 ist elektrisch mit der Schraube 206 verbunden, und somit
mit der Kapsel 190, der Membran 200, der Haftschicht 202 und der Kristallfläche 194, um diese Kristallfläche über
ein Kabel 182 zu erden. Ein Anschluß 186 an der Leiste 204 ist über einen Leiter 210 und einen Lötverbindungspunkt
212 mit der rückwärtigen Kristallfläche 199 verbunden.
Ein akustisch absorbierender Block 214 füllt den Rest des Hohlraums 196 und weist vorzugsweise ein federndes Synthetikmaterial,
wie RTV1 und ein nichtleitendes Material in Teil-
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chenform, wie Sand oder Quarz, auf, und zwar mit einem RTV/
Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5 : 1 Ms 20 : 1. Das in Teilchenform vorliegende Material, das in Fig. 5 durch
Körner 215 angedeutet ist, erhöht die Dichte des Absorbers 214 und trägt dazu bei, die von der Kristallrückfläche 199
ausgehenden Ultraschallwellen zu brechen und zu absorbieren. Die RTV/Teilchen-Mischung verringert auch den Q-Wert des
Wandlers durch Massezufügung und Veränderung der Federkonstanten des Vibratorelementes, an welchem die Mischung
haftet. Der Q-Wert wird für das Gebiet der Wandler allgemein definiert als das Verhältnis der Wandlerresonanzfrequenz
dividiert durch die Halbwertsbandbreite, d. h., die Bandbreite an demjenigen Punkt, an welche» der Wandler die
halbe Leistung aufweist. Derzeit wird bei Materialhöhensteuerungsanwendungen
ein Q im Bereich zwischen 14 und 17 bevorzugt. Für den Q-Wert der Becheranordnung ohne den RTV/
Teilchen-Absorber fand man generell einen Wert zwischen 70 und 90. Man fand auch, daß abhängig von der Art des im
Absorber 214 verwendeten RTV-Harzes.der Absorber die Resonanzfrequenz
des Wandlers ändert, indem er die Resonanzfrequenz entweder erhöht oder erniedrigt, beispielsweise um
einen Betrag zwischen 200 und 300 Hz. Die Wirkung dieser Frequenzänderung auf die erfindungsgemäße Konstruktionsmethode
wird nachfolgend ausführlich behandelt.
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Die bevorzugte Methode zur Herstellung des Wandlers 24 kann folgendermaßen umrissen werden. Der Kristall 198 wird zunächst
an der Membran 200 befestigt. Dann wird der Leiter 210 auf der Rückfläche 199 des Kristalls 198 angelötet, wie
es bei 212 dargestellt ist. Die Membran wird vorgereinigt und mit einem schnellwirkenden anaeroben Haftstoffeinbringungsverbesserer
beschichtet. Die innere Oberfläche der Kapselbohrung 196 wird gleichermaßen behandelt. Die Membran
wird dann über dem offenen Ende 194 der Kapsel 190 und in
koaxialer Ausrichtung mit dieser angeordnet, wobei der Membranrand auf dem Kapselende ruht. Anaerobes Füllmaterial
wird dann rund um den Umfang der Membran und auf der inneren Oberfläche der Bohrung 196 aufgebracht. Die Membran wird
dann um einen vorbestimmten Anfangs-Distanzteilweg in die Kapsel gedrückt, wie nachfolgend erläutert ist.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Resonanzfrequenz
in Abhängigkeit vom Vorstehen der Membran zeigt. Diese Kurve ist charakteristisch für eine Ausführungsform
des Wandlers 24, für den eine Membran aus Aluminium 2024-T4 mit einem Durchmesser von 28,0543 mm und einer Dicke von
2,4765 mm verwendet wird. Bei dem zur Aufzeichnung der Kurve in Fig. 6 verwendeten Kristall 198 handelte es sich um einen
von Transducer Products, Inc. Torrington, Conn., Katalog Nr. LTZ-2, verkauften piezoelektrischen Kristall mit einem Durch-
messer von 25,3746 mm und einer Dicke von 2,1209 mm. Bei dem Haft- oder Befestigungsmittel 197 handelte es sich um silberdotierten
leitenden Epoxykitt, der unter der Katalognummer K8-4238 von Hysol Division of Dexter Corporation, City of
Industry, California, verkauft wird. Man fand, daß die Abmessung der Kapsel 190 geringe Bedeutung für die Kurvenform
hat. In Fig. 6 ist die Frequenz in KHz in logarithmischem Maßstab in Abhängigkeit von Millimetern des Herausstehens
der Membran aufgetragen, d. h., in Abhängigkeit von der Distanz, um welche die Membran aus dem Kapselende 194 herausragt.
Diese Distanz ist in Fig. 6 durch die Bezugsziffer 216 angedeutet. Aus Fig. 6 sieht man, daß, wenn die Membran
200 in die Kapsel 190 gedruckt wird, die Resonanzfrequenz stetig zunimmt, bis die äußere Membranfläche bündig mit dem
Kapselende 194 abschließt. Wenn die Membran 200 weiter über den Punkt des Bündiganliegens hinaus in die Kapsel gedrückt
wird, bleibt die Resonanzfrequenz praktisch konstant.
Es wird nun zur bevorzugten Methode des Zusammenbaus des Wandlers 24 zurückgekehrt. Die Membran 200 wird teilweise
um eine anfängliche vorbestimmte Distanz in die Kapsel 190 gedrückt, beispielsweise solange, bis die Distanz 216 etwa
gleich 0,508 mm ist. Ein Signalgenerator mit variabler Frequenz und ein Oszillograph werden dann über dem Kristall
zwischen dem Leiter 210 und der Kapsel 190 angeschlossen. Die
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Generatorausgangsfrequenz wird dann variiert, bis durch Beobachtung
auf dem Oszillographen der Punkt minimaler Signalamplitude gefunden ist, der bei der Resonanzfrequenz der
Anordnung auftritt. Während man die Anordnung auf konstanter Temperatur hält, wird dann die Membran 200 weiter in die
Kapsel 190 gedruckt, wodurch die Resonanzfrequenz der Anordnung erhöht wird, bis ein Wert fQ für die leere Becheranordnung
erreicht ist. Diese Vorgang wird vorzugsweise in einer Reihe diskreter Schritte durchgeführt, während das Oszillographausgangssignal
beobachtet und derSignalgenerator neu eingestellt wird. Der Anschlußstreifen 204 wird dann an
der Kapsel 190 befestigt und der Leiter 210 wird am Anschluß 186 angelötet.
Aus Gründen der Temperaturstabilität, die nachfolgend in Verbindung
mit Fig. 8 ausführlich beschrieben werden, wird die derzeit für den Absorber 214 bevorzugte Einfüllverbindung
verwendet, die von der Dow Corning Corp. of Midland, Michigan unter der Bezeichnung 96-083 RTV auf dem Markt ist. Wenn der
Absorber 214 das 96-083 RTV aufweist, bewirkt dies eine Erhöhung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbechers 174 gegenüber
der ursprünglich abgestimmten Resonanzfrequenz der leeren Becheranordnung fQ um dnen Betrag zwischen 200 bis
300 Hz. Folglich wird bei dem betrachteten Beispiel, bei welchem die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz ist
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und das bevorzugte 96-083 RTV verwendet wird, zunächst eine Resonanzfrequenz fQ der leeren Becheranordnung zwischen
19,7 bis 19,8 KHz erreicht (Fig. 7), wenn ein Vorstehabstand 216 zwischen 0,5588 und 0,635 mm besteht. 3118 RTV
von Dow Corning Corporation ist bei erfindungsgemäßen Arbeitsausführungsformen ebenfalls verwendet worden, und es
bewirkt eine Verringerung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbechers um 200 bis 300 Hz. Was Fig. 7 betrifft,
für welche 3118 RTV im betrachteten Beispiel zu verwenden ist
und bei welcher die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz beträgt, liegt die Vorstehdistanz 216 des leeren
Bechers zwischen 0,127 und 0,2286 mm.
Es wird dann ein Test durchgeführt, um den Q-Wert der Anordnung
zu bestimmen. Ein Mikrophon wird außerhalb des Bechers in Nachbarschaft der Membran 200 unter einem Winkel von
bis 70° vor der Vorderfläche der Membran angeordnet. Der Signalgenerator mit variabler Frequenz wird wieder bei der
vorbestimmten Resonanzfrequenz fQ und bei einer vorbestimmten
Spannungsamplitude, beispielsweise 20 V Wechselstrom, betrieben. Das Ausgangssignal des Mikrophons wird dann unter
Verwendung eines Voltmeters und eines geeigneten Verstärkers abgelesen, und zwar üblicherweise in Millivolt. Das Verhältnis
des Mikrophonausgangssignals zum Kristalleingang ist
nicht von Bedeutung. Das Mikrophonausgangssignal wird dann
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mit /2?2 oder etwa 0,707 multipliziert. Die Frequenz des
Signalgenerators wird dann erhöht, bis das Mikrophonausgangssignal bei diesem niedrigeren Ausgangswert liegt, d. h.,
0,707 mal so groß wie die Resonanz-Mikrophonausgangsspannung ist. Dies tritt bei einer oberen Frequenz Ij. auf. Die Generatorfisiuenz
wird dann unter die Resonanzfrequenz abgesenkt, bis das Mikrophonausgangssignal wieder das 0,707-fache
seines Resonanzwertes zeigt. Dies tritt bei einer niedrigeren Frequenz fp auf. Der Q-Wert für die Anordnung
kann dann bestimmt werden als gleich:
fo
Wie vorstehend angegeben, liegt dieses Q normalerweise oberhalb
70.
Um den Q-Wert durch Belastung der Rückseite 199 des Kristalls 198 zu verringern, wird nun die Mischung aus RTV und Material
in Teilchenform bereitet. Wenn der berechnete Q-Wert der leeren Becheranordnung dicht bei 70 liegt, erzeugt ein RTV/
Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 10/1 eine ausreichende Kristallbelastungj um ein gewünschtes endgültiges Q
von 14 bis 17 zu erreichen. Für höhere Werte des berechneten Q ist ein höheres RTV/Teilchen-Verhältnis erforderlich. Ein
20/1-Verhältnis ist das allgemeine Maximum. Diese nach Gewohnheit
oder Erfahrung berechnete Mischung wird in das Kapselende 192 gegossen, bis der Hohlraum 196 im wesentlichen
gefüllt ist, d. h., bis lediglich die Anschlüsse 184, 186 freiliegend bleiben. Wie vorstehend angegeben, senkt
die RTV/Teilchen-Mischung nicht nur das Q auf den gewünschten Wert, sondern sie verändert auch die Resonanzfrequenz der
Anordnung, d. h. sie erhöht oder erniedrigt die Resonanzfrequenz um 200 bis 300 Hz, was von der Art des verwendeten RTV
abhängt, innerhalb sehr enger Grenzen, deren Mitte bei der gewünschten Resonanzfrequenz von 20 KHz liegt.Dies gilt natürlich
unter der Annahme, daß alle anderen Parameter, wie Bechervolumen usw., konstant bleiben. Nachdem die RTV-Teilchen-Mischung
ausgehärtet ist, wird die Anordnung in eine geeignete Beschichtungsverbindung getaucht, um die Aluminiummembran
200 und die Kapsel 190 gegen Korrosion zu schützen. Alternativ und vorzugsweise können die Kapsel 190 und die
Membran 200 vor dem Zusammenbau vorbeschichtet werden, so daß Änderungen hinsichtlich der Beschichtungsdicke beim zuvor
beschriebenen Abstimmvorgang ausjustiert werden können. Die Wandlerbecheranordnung 174 ist dann vollständig und bereit,
um in den Block 176 gepreßt und am Reflektor 22 befestigt werden zu können, wie es in den Fig. 2 bis 4 gezeigt
ist.
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Um die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Abstimmethode hinsichtlich Verschleiß und Reißen des Schwingelementes des
Wandlers am vorteilhaftesten durchzuführen, ist es zu bevorzugen, ein geschichtetes, zusammengesetztes Schwing- oder
Vibratorelement 195 mit kreisförmiger Abmessung vorzusehen, bei welchem das piezoelektrische Element in Form eines piezokeramischen
Kristalls 198 das innerste Teil des Vibratorelementes darstellt, hinter dem sich die RTV/Teilchen-Masse
215 befindet, und das äußerste Teil ist die Metallmembran 200, so daß diese einen Schutz und eine Dichtung für die
inneren Wandlerkomponenten und insbesondere den Kristall bildet. Der Durchmesser der Membran 200 ist größer gemacht
als derjenige des Kristalls 198, so daß der Metallrand der Membran der einzige Teil des Vibratorelementes ist, der während
der erfindungsgemäßen Übermaßpreßsitz-Eingriffsabstimmung
und der Befestigungsmethode gemäß Erfindung direkt mit
der Innenwand der Wandlerkapsel 190 in Eingriff kommt. Ist diese bevorzugte Konfiguration gegeben, sind gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung der Durchmesser und die Dicke des Kristalls mit dem Durchmesser und der Dicke der Membran
derart korreliert, daß, wenn man die Parameter der Elastizitätsmodule des Kristall- und des Membranmaterials, das
Volumen dieser Komponenten, die Bäerkonstante und Masse
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dieser Komponenten, die gewünschte Arbeitsfrequenz des Wandlers und Abstrahlenergie- und Wirkungsgradfaktoren in Erwägung
zieht, das Vibratorelement 195 vorzugsweise als ein Verbundträger konzipiert ist, dessen Knotenpunkte des ersten
Biegeschwingungsmoduls (Schwingung längs der Hauptachse der Anordnung, durch die Kristallerregung induziert)
am Membranumfang oder in dessen dichter Nähe auftreten, um dadurch während des Wandlerbetriebs auftretende Spannungen
am Kristall zu vermindern. Diese Anordnung der Knotenpunkte wirkt auch mit dem beschriebenen ausjustierbaren Übermaßpreßsitz-Abstimmvorgang
dadurch zusammen, daß die Resonanzfrequenz des Verbundträgers empfindlich gemacht wird gegenüber
dem Ausmaß der mechanischen Kopplung zwischen dem Umfang der Membran und der mit dieser im Eingriff stehenden
Wand der Wandlerkapsel.
Die zuvor genannenten Faktoren werden auch bei der Auswahl der korrelierten Abmessungen von Kristall 198 und Membran
200 in Betracht gezogen derart, daß die neutrale Biegeachse des Verbundträgers aus dem Kristall herausgeschoben wird
und entweder innerhalb oder dicht neben dem zwischen. Kristall und Membran befindlichen Haftmaterial liegt. Diese Anordnung
der neutralen Achse des Vibratorelementes stellt sicher, daß der Kristall während seiner Biegung in Abhängigkeit von der
angelegten Spannung nicht gleichzeitig Zug- und Druckspannungen
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ausgesetzt wird. Wenn sich das zusammengesetzte Vibratorelement
195 aus seinem normalen, flachen Ruhezustand nach oben oder in die Kapsel 190 biegt, wird der Kristall 198 somit
gänzlich Druckspannungen ausgesetzt. Gleichermaßen wird der Kristall während der Auslenkung des Elementes 195 aus
dem flachen Zustand nach außen aus der Kapsel 190 heraus lediglich Druckspannungen ausgesetzt. Aufgrund dieser Arbeitsweise
besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, daß der Kristall durch die mechanischen Vibratorspannungen beschädigt
wird, die durch die piezoelektrische Belastung des Verbundträgers induziert werden. Bei einem speziellen Beispiel, das
den vorstehenden Betrachtungen entsprechend aufgebaut war, erhielt man optimale Ergebnisse bei Verwendung eines piezokeramischen
Kristalls mit einem Durchmesser von 27,94 mm und einer Dicke von 2,032 mm und einer Aluminiummembran mit einem
Durchmesser von 28,067 mm und einer Dicke von 2,09677 mm. Bei einer anderen Ausführungsform mit generell gleicher Konfiguration
erhielt man akzeptable Resultate bei Verwendung eines piezokeramischen Kristalls mit einem Durchmesser von 25,4 mm
und einer Dicke von 2,032 bis 2,0828 mm in Verbindung mit einer Aluminiummembran, die einen Durchmesser .von 28,067 mm
und eine Dicke im Bereich von 2,45872 bis 2,4638 mm aufweist.
Wenn man die zuvor beschriebenen Ergebnisse, d. h., die Ausschaltung von Spannungsumkehrungen im Kristall, auch dadurch
erhalten kann, daß man die neutrale Biegeachse des zu-
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sammengesetzten Elementes weiter in die Membran verschiebt, versteht es sich, daß, wenn man dies tut, die Größe der
auf den Kristall ausgeübten Spannungen proportional zum Abstand der neutralen Achse vom Kristall zunimmt. Zusätzlich
führt ein Aufbau, bei welchem die neutrale Biegeachse in einem wesentlichen Ausmaß ins Innere der Membran gelegt
wird, zu einer Erhöhung der Materialkosten aufgrund der damit einhergehenden Vergrößerung der Membrandicke. Deshalb
liegt die neutrale Achse bei einer optimalen Konfiguration in der Schicht des Haftmaterials zwischen dem Kristall und
der Membran, wenn auch eine Anordnung der Achse innerhalb der Membran dicht neben der Haftschicht ebenfalls die meisten
der zuvor diskutierten verbesserten Ergebnisse erzeugt.
Die durch die Erfindung verfügbar gemachte Abstimmethode
durch veränderliches Einschieben kann auf Vibrator_elemente angewendet werden, deren Struktur und Konfiguration von
derjenigen verschieden ist, wie sie in Fig. 5 bei 195 gezeigt ist. Beispielsweise kann das Vibratorelement genau
ein Trägerglied in Form eines piezoelektrischen Kristalls aufweisen, der entweder direkt mit der Wand der Wandlerkapsel
in Eingriff gebracht werden kann oder der eine geeignete Kapselstruktur mit metallischem Rand aufweist, um
den Kristall während des Einsetzens und während dessen Über-
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maßpaßbefestigung in der Kapsel zu schützen. Auch ist es
möglich, wenn aush weniger vorzuziehen, die Abstimmwirkung
durch andere Mittel zur Veränderung des Ausmaßes der mechanischen Kopplung zwischen dem Umfang der Membran und der
damit zusammenwirkenden Gehäuseträgerstruktur zu erreichen. Beispielsweise kann der Kristall mit beweglichem oder Bewegungssitz
in eine Metallkapsel bis zu einer vorbestimmten Stelle in dieser eingesetzt und dann die Wand der Kapsel
kalt bearbeitet oder auf andere Weise in diskreten Stufen ausgebildet werden, um den Membranumfang mit Preßsitz aufzunehmen
und dadurch stufenweise das axiale Ausmaß der Berührung zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand zu
erhöhen, bis die mechanische Kopplung zwischen diesen die gewünschte Arbeitsfrequenz des Vibratorelements erzeugt. Das
zuvor beschriebene Festsitz- oder Übermaßpaßsitzverfahren mit einstellbarer Einfügung wird jedoch vom Standpunkt
eines leichten Zusammenbaus und einer Vereinfachung der Befestigungen
und der erforderlichen Werkzeugausrüstung bevorzugt.
Die bevorzugte Orientierung der Kristall/Membran-Platte im Wandler ist bei der hier angegebenen Anwendung derart, daß
der Kristall bezüglich der Membran im Inneren der Kapsel angeordnet ist, und zwar sowohl aufgrund der zuvor erwähnten
Schutzeigenschaften als auch um die elektrischen Verbindungen
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zum Kristall zu ermöglichen und zu schützen. Die Abstimmmethode
kann jedoch auch praktiziert werden, wenn die Orientierung der Platte umgekehrt ist; d. h., wenn der Kristall
gegenüber der Kapsel als äußerster Teil des Verbundträgers angeordnet ist, insbesondere bei jenen Anwendungen, bei welchen
die Schutzfaktoren nicht zum Tragen kommen.
Bei den zuvor offenbarten Ausführungsformen werden für die Befestigung des Kristalls an der Membran Haftbefestigungsmethoden
bevorzugt, und zwar im Hinblick auf eine leichte Herstellung. Es können jedoch auch andere Methoden und Strukturen
zur Befestigung des Kristalls an der Membran verwendet werden, vorzugsweise jene, welche eine direkte Seite-anSeite-Berührung
zwischen dem Kristall und der Membran ergeben, um Energieverluste durch das dazwischenliegende Haftmaterial
zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Montage mittels eines geeigneten mechanischen Befestigungselementes, wie
es im Stand der Technik bekannt ist, verwendet werden, ohne die Vorteile des erfindungsgemäßen Abstimmverfahrens oder
auch jene Vorteile, die der zuvor beschriebenen speziellen Kristall/Membran-Trägergeometr:.e zuzuschreiben sind, unwirksam
zu machen. Solche mechanisch befestigten zusammengesetzten Vibratorelemente erfordern jedoch eine enge Steuerung
der Teiletoleranzen und der mechanischen Spannungen im zu-
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sammengebauten Zustand. Deshalb stellen die zuvor erwähnten
Haftbefestigungsmethoden die derzeit bevorzugte Art für den Aufbau des Kristall/Membran-Vibratorelementes dar.
Es hat sich in Verbindung mit den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, daß sowohl das in der Haftschicht
202 verwendete Material als auch der Grad des Festsitzes zwischen Membran 200 und Kapsel 190 je eine Auswirkung auf
das Temperaturverhalten der gesamten Wandlerbecheranordnung 174 hat. Fig. 7 ist eine zusammengesetzte graphische Darstellung,
welche die Temperaturkennlinien von drei unterschiedlich aufgebauten Ausführungsformen der Wandlerbecheranordnung
vor dem Einfügen des Absorbers 214 zeigt. In Fig. ist die Resonanzfrequenz in KHz in linearem Maßstab in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur in ° C aufgetragen. Das Hinzufügen des Absorbers 214 zur Becheranordnung erniedrigt
die jeweiligen Kurven der Fig. 7, hat jedoch ansonsten keine Auswirkung auf die dargestellten Kennlinien.
In Fig. 7 zeigt Kurve 220 die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer leeren Wandlerbecheranordnung, bei welcher eine Membran
mit einem Durchmesser von 28,0543 mm in eine Kapsel mit einem Bohrungsdurchmesser von 27,98318 mm vollständig
eingepreßt ist, d. h., bis zum Punkt bündigen Abschließens, bei welchem die Distanz 216 (Fig. 5) gleich Null ist. Somit
ist der Betrag des Übermaßes bei der der Kurve 220 zugeord-
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neten Ausführungsform 0,07112 mm. Bei der Ausführungsform
gemäß Kurve 220 war der piezokeramische Kristall an der Membran
befestigt mittels Silber enthaltendem Epoxy, wie es zuvor in Verbindung mit Fig. 6 angegeben worden ist.
Kurve 224 in Fig. 7 zeigt die Temperaturkennlinie eines leeren Wandlerbechers, bei welchem eine Membran mit einem
Durchmesser von 28,08478 mm in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,99588 mm gepreßt ist, so daß der Betrag
des Übermaßes gleich 0,0889 nun ist. In gleicher Weise zeigt Kurve 226 die Kennlinie bei einer Membran mit einem Durchmesser
von 28,08478 mm, die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 28,0035 mm gepreßt ist, so daß das Membran/
Kapsel-Übermaß gleich 0,08128 mm beträgt (durch die Umrechnung von Zoll in mm können Rundungsfehler aufgetreten sein).
Bei den Ausführungsformen gemäß 224 und 226 waren die Kristalle an den Membranen jeweils nicht mittels leitendem Epoxy,
sondern mittels mit Silber angereichertem Lot (SN62) befestigt. Erstens stellt man im Hinblick auf die Kurven 224,
226 fest, daß die Verwendung von mit Silber angereichertem Lot anstelle von Epoxy als Haftbefestigungsmittel eine deutliche
Auswirkung auf die Wandlertemperaturkennlinie hat und dazu neigt, die Kennlinie eben zu machen und die Wandlerresonanzfrequenz
über einen ausgedehnten Temperaturbereich stabiler zu machen. Man stellt auch fest, daß der strammere
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Festsitz infolge Übermaßes bei der Ausführungsform gemäß gegenüber demjenigen gemäß 226 eine zusätzlich erhöhte .
Ebenungswirkung auf die Kennlinie hat, was zu einer Kurve 224 führt, die über einen Umgebungstemperaturbereich von
fast 100° C im wesentlichen flach oder eben ist. Als ein Bemessungskriterium hat man gefunden, daß das maximale
Übermaß zwischen Membran und Kapselwand wünschenswert ist, bei welchem der Punkt erreicht wird, an welchem die Teile
kaltgeschweißt werden, ohne daß jedoch eine dauernde Deformierung entweder der Membran oder der Kapsel verursacht wird.
Es hat sich gezeigt, daß der Temperaturbereich, über welchen der Wandler wirksam arbeitet, und die Stabilität des Wandlers
bei irgendeiner gegebenen Temperatur bedeutend verbessert werden, wenn der Absorber 214 unter bestimmten ausgewählten
Zeit- und Temperaturbedingungen erwärmt vird, um zu bewirken, daß die gesamte Masse des flüssigen RTV innerhalb
der Becheranordnung 174 aushärtet, und zwar bei einer Temperatur oberhalb der maximalen Umgebungstemperatur, bei welcher
der Wandler erwartungsgemäß arbeiten soll. Man glaubt, daß diese Erscheinung wenigstens teilweise auf der Tatsache
beruht, daß die RTV-Gummiverbindung, wenn sie ausgehärtet ist, bei der Aushärtungstemperatur im Inneren im wesentlichen
spannungsfrei ist. Irgendeine Erhöhung der Wandlerbetriebstemperatur oberhalb der Aushärtungstemperatur bewirkt, daß
sich die zuvor ausgehärtete Verbindung ausdehnt, einen Druck
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auf die Rückseite des Kristalls ausübt und dadurch die Resonanzfrequenz
der gefüllten Becheranordnung erniedrigt. Umgekehrt bewirkt jegliche Verringerung der Temperatur unter die
Aushärtungstemperatur, daß sich die ausgehärtete RTV-Verbindung zusammenzieht und dadurch den Druck auf die Rückseite
des Kristalls verringert. Man hat gefunden, daß die Wirkung der Umgebungstemperatur-Änderungen auf die Wandlerresonanzfrequenz
unterhalb der Aushärtungstemperatur der Verbindung weniger bedeutend als oberhalb dieser Temperatur ist.
Ein Beispiel für diese Erscheinung zeigt Fig. 8, bei welcher es sich um eine zusammengesetzte graphische Darstellung
handelt, welche die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien zweier gefüllter Wandler mit unterschiedlichen RTV-Füllverbindungen
und unterschiedlichen effektiven Aushärtungstemperaturen zeigt. In Fig. 8 ist die Resonanzfrequenz in KHz in
Abhängigkeit von der Temperatur in ° C dargestellt, und zwar beide in linearer Skala.
In Fig. 8 zeigt Kurve 230 die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinie
eines gefüllten Wandlerbechers 174 (Fig. 5) mit einer einen Durchmesser von 28,03906 mm aufweisenden Membran,
die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,9857 mm gepreßt ist, wobei die Anordnung mit 3118 RTV von Dow Corning
gefüllt ist. Der gewichtsmäßige Prozentsatz des in Teilchen-
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form vorliegenden Materials 215 (Fig. 5) im Absorber 214
kann die Kurven in Fig. 8 aufwärts und abwärts verschieben, hat jedoch keine Auswirkung auf die Steigung der Kurven und
wird aus diesem Grund nicht weiter in Verbindung mit Fig. 8 diskutiert. Eine Kurvenschar für verschiedene Teilchengewichtsverhältnisse
kann von Fachleuten für jede in Betracht kommende RTV-Verbindung leicht entwickelt werden. Die zum
Kurvenbeispiel 230 gehörende Wandlerbecheranordnung mit Kapsel, Vibratorelement und flüssigem RTV-Absorber wurde
eine Stunde lang in einen auf 125° C vorgeheizten Ofen gegeben. Die "Trigger"-Temperatur des 3118 RTV, d. h., die
minimale Umgebungstemperatur, bei welcher das RTV aushärtet, liegt jedoch beträchtlich unterhalb von 125° C, was es einem
Teil der Verbindung erlaubt, vor dem Erreichen der Ofentemperatur auszuhärten. Deshalb hat die Kurve 230 eine im wesentlichen
gleichförmige Steigung zwischen Raumtemperatur (25° C) und etwa 70° C. Oberhalb dieser Temperatur fällt die Kurve
rasch mit einer Rate von über 160 Hz/0 C ab. Das scharfe
"Knie" 232 der Kurve 230 zeigt, daß die RTV-Verbindung eine
effektive Aushärtungstemperatur oberhalb 70° C hatte.
Kurve 234 in Fig. 8 zeigt die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinie
eines Wandlers mit einer einen Durchmesser von 28,0594 mm aufweisenden Membran, die in eine Kapselbohrung
mit einem Durchmesser von 27,9806 mm gepeßt ist, und die An-
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Ordnung ist dann unter Verwendung von 96-083 RTV von Dow Corning gefüllt worden. Die Anordnung einschließlich des
flüssigen RTV wurde wieder etwa eine Stunde lang in einen auf 125° C vorgeheizten Ofen gegeben. Die Triggertemperatur
des 96-083 RTV liegt jedoch in der Nähe von 125° C, so daß die gesamte Verbindung effektiv bei dieser Temperatur aushärtete.
Folglich weist die Kurve 234 über einen Arbeitsumgebungstemperaturbereich von 25 bis 125° C eine im wesentlichen
gleichförmige Neigung von etwa 8 Hz/0 C auf.
Aus vorausgehender Beschreibung in Verbindung mit den Fig. und 8 ersieht man folgendes: Wenn die Arbeitsumgebungstemperatur
des Wandlers im voraus bekannt ist, kann der Wandler beim Zusammenbau auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt
werden. Wenn es beispielsweise bekannt ist, daß ein bestimmter Wandler in einer Atmosphäre mit einer Umgebungstemperatur
von 80° C arbeiten wird und eine Resonanzfrequenz von 20,0 KHz haben soll, wird zunächst Kurve 234 in Fig. 8
oder eine dieser ähnliche Kurve, die jedoch für den bestimmten zu verwendenden Membran- und Bohrungsdurchmesser aufgezeichnet
ist, herangezogen, um die gewünschte Resonanzfrequenz bei Raumtemperatur (25° C) zu erhalten. Von diesem
Wert werden 250 Hz (d. h., zwischen 200 und 300 Hz) abgezogen, um die Raumtemperatur-Resonanzfrequenz des Wandlerbechers
ohne den Absorberblock (unter Verwendung von
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96-083 RTV) zu erhalten. Dann wird Fig. 6 oder eine der Fig. ähnliche Kurve,1 die jedoch für die zu verwendende spezielle
Membran und Kapsel aufgezeichnet ist, herangezogen, um die zum Erhalt der gewünschten Raumtemperatur-Resonanzfrequenz
des leeren Bechers erforderliche Membranherausragung zu bestimmen. Der Zusammenbau des Wandlers kann dann entsprechend
der zuvor beschriebenen Methode vor sich gehen. Wenn die maximale Arbeitstemperatur des Wandlers unterhalb 70° C, der
effektiven Aushartungstemperatur des Wandlers gemäß Beispiel nach Kurve 230, liegen soll, arbeitet dieser Wandler natürlich
zufriedenstellend, wenn er 3118 RTV enthält.
Das im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene bevorzugte Zusammensetzverfahren
ist im wesentlichen umkehrbar, d. h., wenn die Membran 200 zu weit in die Kapsel 190 gepreßt worden
ist, kann sie aus der Kapsel zurückgedrückt werden, um die mechanische Kopplung zwischen der Membran und der Kapselwand
zu reduzieren, und zwar entweder schrittweise, um die gewünschte Resonanzfrequenz durch "Zurücklaufen" herab
auf der Kurve der Fig. 6 zu erreichen, oder durch vollständiges Herausnehmen der Membran aus der Kapsel und erneuten
Beginn in beschriebener Weise.
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Claims (32)
- BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMERPATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPostadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237Improvecon CorporationPatentansprücheVerfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer offenen Kapsel und einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement (195) auf einem offenen Ende (194) der Kapsel (190) und koaxial zu dieser angeordnet wird und daß die mechanische Kopplung zwischen dem Vibratorelement und der Kapsel solange geändert wird, bis die Resonanzfrequenz des mit der Kapsel vereinten Vibrationselementes gleich einer ersten vorgewählten Frequenz ist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischung aus RTV und einem nichtleitenden in Teilchenform vorliegenden Material in einem vorbestimmten Verhältnis gebildet und diese MischungMünchen: Kramer · Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner609840/ 1022in ein anderes Ende der Kapsel, das dem ersten Ende gegenüberliegt, eingefüllt wird, bis die Mischung die Kapsel im wesentlichen ausfüllt, wodurch die Resonanzfrequenz auf eine zweite vorgewählte Frequenz eingestellt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das RTV und das teilchenförmige Material in einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt werden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2 für die Herstellung eines Wandlers mit einer vorgewählten maximalen Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen die gesamte Mischung innerhalb der Kapsel oberhalb der maximalen Betriebstemperatur ausgehärtet wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Rahmen der Veränderung der mechanischen Kopplung zwischen Vibratorelement und Kapsel das Vibratorelement mit einem Übermaßpreßsitz mit variabler Distanz in das erste Ende der Kapsel eingefügt wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Vibratorelement in einer809840/1022Reihe von progressiven Schritten in das erste Kapselende gedruckt wird, bis die Resonanzfrequenz gleich der ersten vorgewählten Frequenz ist.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vibratorelement verwendet wird, das einen piezoelektrischen Kristall und eine Membran umfaßt, und daß eine Fläche des Kristalls durch Haftverbindung an der Membran befestigt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein anaerobes Füllmittel um den Membranumfang angeordnet wird,' bevor das Vibratorelement weiter in die Kapsel gedrückt wird.
- 9. Abstimmverfahren für einen Ultraschallwandler mit einer offenen hohlen Kapsel und einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement mittels Abstimmung der die Kapsel und das Vibratorelement umfassenden Masse auf eine vorgewählte Wandlerresonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet , daß(a) das Vibratorelement mittels Preßsitz um eine anfängliche vorbestimmte Distanz (216) in ein offenes Ende der Kapsel gesetzt wird, wobei die Distanz zum Erhalt einer609 840/1022Resonanzfrequenz innerhalb eines gegebenen Bereiches unterhalb der vorgewählten Frequenz berechnet wird, und(b) dann das Vibratorelement weiter in die Kapsel hineingedrückt wird, und zwar lediglich in demjenigen Ausmaß, das zur Erhöhung der Resonanzfrequenz der Masse auf eine erste vorgewählte Resonanzfrequenz erforderlich ist.
- 10* Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanzfrequenz der Masse gemessen wird, wenn das Vibratorelement im Preßsitz in die Kapsel gedrückt wird, um zu bestimmen, wann die erste vorgewählte Resonanzfrequenz erreicht ist.
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Messung(c) an das Vibratorelement ein Signalgenerator variabler Frequenz und ein Oszillograph angeschlossen werden,(d) die Ausgangsfrequenz des Generators variiert wird und(e) bestimmt wird, bei welcher Frequenz die Signalamplitude über dem Vibratorelemer.t am niedrigsten ist, wobei diese Frequenz die Resonanzfrequenz der Masse ist.
- 12. Ultraschallwandler mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch eine hohle609640/1022Kapsel (190) und ein einen piezoelektrischen Kristall (198) aufweisendes Vibratorelement (195), das axial von einem offenen Ende der Kapsel aufgenommen und mechanisch mit dieser gekoppelt ist, und daß die vorgewählte Resonanzfrequenz eine Funktion der mechanischen Kopplung zwischen dem Vibratorelement und der Kapsel ist.
- 13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapsel Zylinderform aufweist, daß das Vibratorelement gegenüber der Kapselachse kreisförmig ist, daß das Vibratorelement bei der vorgewählten Resonanzfrequenz im ersten Biegeschwingungsmode arbeitet und daß der Knotenpunkt des ersten Biegeschwingungsmoden am Umfang des Vibratorelementes liegt.
- 14. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement den piezoelektrischen Kristall aufweist sowie eine flache kreisförmige Membran und eine Vorrichtung zur Haftbefestigung des Kristalls aa derMembran längs sich gegenüberliegenden Kristall- und Membranob erflachen.
- 15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich-i net, daß die neutrale Biegeachse des Vibratorelementes innerhalb der Haftbefestigungsvorrichtung oder innerhalb60984071022der Membran dicht neben der Haftbefestigungsvorrichtung (197) liegt.
- 16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandurchmesser größer als der Kristalldurchmesser ist und daß der Membranumfang mechanisch mit der Kapsel gekoppelt ist.
- 17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichn e t , daß der Membranumfang mit der Kapsel mittels eines Preßsitzes gekoppelt ist.
- 18. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im Inneren der Kapsel angeordnet ist und daß ein akustisches Dämpfungsmittel (214) vorgesehen ist, das mit einer von der Membran entfernten Fläche des Kristalls gekoppelt ist.
- 19. Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel RTV aufweist, das mit einem nichtleitenden teilchenförmigen Material gemischt ist.
- 20. Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich-609840/1022-J7 -net, daß das RTV und das teilchenförmige Material in einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt sind.
- 21. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß das Haftmittel elektrisch leitend ist.
- 22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß das Haftmittel mit Silber angereichertes Lot aufweist.
- 23. Wandler nach Anspruch 19, zur Verwendung in einer Umgebung mit einer maximalen Umgebungstemperatur, dadurch gekennzeichnet , daß das RTV eine ausgehärtete Gummimasse mit einer effektiven Aushärtungstemperatur aufweist, die größer als die maximale Umgebungstemperatur ist.
- 24. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß das Vibratorelement rings um seinen Umfang mit der Kapsel durch einen Übermaßpreßsitz mechanisch gekoppelt ist.
- 25. Ultraschallwandler mit eine piezoelektrischen Kristall, einer Wandlermembran und einer Haftmaterialschicht zur609840/1022Haftbefestigung des Kristalls an der Membran längs sich gegenüberliegender Oberflächen des Kristalls und der Membran, dadurch gekennzeichnet , daß die neutrale Biegeachse der Membran/Kristall-Kombination innerhalb der Haftschicht oder innerhalb der Membran dicht neben der Haftschicht angeordnet ist.
- 26. Ultraschallwandler nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet , daß die Haftschicht mit Silber angereichertes Lot aufweist.
- 27. Verfahren zur Absenkrung des Q-Wertes eines Ultraschallwandlers mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz fQ, der eine offene hohle Kapsel aufweist sowie ein einen piezoelektrischen Kristall umfassendes Vibratorelement, das mit einem offenen Ende der Kapsel mechanisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß(a) der Q-Vert des Wandlers bei der vorgewählten Resonanzfrequenz gemessen wird,(b) eine Mischung aus RTV und einem nichtleitenden teilchenförmigen Material in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis hergestellt wird,(c) die Mischung in die Kapsel gegossen wird, und zwar an dem von ihrem ersten Ende entfernt liegenden offenen Ende, und6 0 9 8 4 0/1022(d) die Mischung innerhalb der Kapsel ausgehärtet wird.
- 28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis empirisch mit dem gemessenen Q-Wert verknüpft wird und im Gewichtsverhältnisbereich von 5 : 1 zu 20 : 1 von RTV zum teilchenförmigen Material liegt.
- 29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen des Meßschrittes (a)(e) an den Kristall ein Signalgenerator variabler Frequenz angeschlossen wird,(f) ein Mikrophon außerhalb der Kapsel neben der Membran angeordnet wird,(g) der Signalgenerator bei der Resonanzfrequenz iQ erregt wird,(h) das Ausgangssignal des Mikrophons bei dieser Resonanzfrequenz gemessen wird,(i) die Ausgangsfrequenz des Generators in einer Richtung von f aus zu einer Frequenz f.* verändert wird, bei welcher das Ausgangs signal des Mikrophons auf im wesentlichen das Y2~y2-fache des Mikrophonausgangssignals bei der Resonanzfrequenz abfällt, und(j) die Ausgangsfrequenz des Generators in der anderen Richtung von f auf eine Frequenz fp verändert wird, bei609840/1022welcher das Ausgangssignal des Mikrophons auf im wesentlichen das V272-fache des Mikrophonausgangssignals bei derResonanzfrequenz: abfällt, wobei der gemessene Q-Wert f_gleich -τ 2_— ist.I1 - I2
- 30. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement und einem akustisch dämpfenden Mittel, das eine Gummiverbindung umfaßt und betriebsmäßig mit dem Vibratorelement gekoppelt ist, wobei der Wandler eine vorgewählte maximale Betriebstemperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das dämpfende Mittel oberhalb dieser maximalen Betriebstemperatur zum Aushärten gebracht wird.
- 31. Ultraschallwandler zur Verwendung in einer Umgebung mit einer maximalen Betriebstemperatur, wobei der Wandler ein piezoelektrisches Vibratorelement aufweist und einen akustischen Absorber mit einer Gummiverbindung, der betriebsmäßig mit dem Element gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die effektive Aushärtungstemperatur des akustischen Absorbers oberhalb der maximalen Betriebstemperatur liegt.609840/1022
- 32. Ultraschallwandler nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß die Aushärtungs-Triggertemperatur der Gummiverbindung oberhalb der maximalen Betriebstemperatur liegt.609840/1022 Hi/kuHZLeer seife
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