DE3431620A1

DE3431620A1 - Material fuer anpassungskoerper fuer ultraschall-wandler

Info

Publication number: DE3431620A1
Application number: DE19843431620
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. Magori; Rotraut 8000 München Maly
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-08-28
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1986-03-13
Also published as: DE3431620C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München -J. VPA -. - * e Q 7 QC

Material für Anpassungskörper für Ultraschall-Wandler. 5

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Material für Ultraschall-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ultraschall-Schwinger nach den deutschen Patenten 25 41 492 und 25 37 788 besitzen auf dem eigentlichen piezokeramischen Schwingungserzeugungsteil einen scheibenförmigen, daran angebrachten Anpassungskörper, der aus einem Material mit dementsprechend ausgewählten Eigenschaften besteht. Insbesondere für Schallabstrahlung in Luft bzw. Schallempfang aus einem Luftvolumen hat dieses Material durch einen schaumstoffartigen Aufbau verhältnismäßig geringe Dichte, aber dennoch erhebliche Steifigkeit. Nach obengenannten Patenten ausgestaltete, im Verkehr befindliche Ultraschall-Wandler haben derartige Anpassungskörper aus einem unter der Bezeichnung XP241 (der Fa. 3M) bekannten Material, das aus einem Epoxidharz besteht, das mit kleinen Glas-Hohlkugeln gefüllt ist. Dieses Material weist bereits für Luft-Ultraschall-Wandler gute akustische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Anpassung, auf. Dieses Material, das im ausgehärteten Zustand geliefert wird, ist mit Hartmetall-Stählen zu bearbeiten, wobei jedoch die entstehende Staubentwicklung und Abnutzung der Werkzeuge nicht zu vernachlässigen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches für die obengenannten Zwecke geeignetes Material anzugeben, bei dessen Verwendung man obengenanntes Bearbeiten einspart und das auch einen geringeren akustischen Wellenwiderstand hat.

21 .8.1984 / Bts 1 BIa

Diese Aufgabe wird mit einem nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hergestellten Material gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, nicht bereits ausgehärtetes Material hinsichtlich der Formgebung anzupassen, sondern die Formgebung in das Herstellungsverfahren des Materials zu integrieren. Weiter liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, zuzulassen, daß das herzustellende Material'in Zwischenstadien, insbesondere bei der Formgebung, für den eigentliehen Verwendungszweck noch völlig unzureichende mechanische Eigenschaften hat.

Die Erfindung besteht darin, zunächst eine abgemessene Menge eines Epoxid-Klebstoffes (wie z.B. Araldit AV8 von Ciba) im Wasserbad oder Wärmeschrank auf eine Temperatur zwischen 60 und 12Q⁰C, insbesondere auf ca. 80⁰C, zu erwärmen. Diese Temperaturen sind noch so niedrig gehalten, daß noch keine wesentliche Aushärtung des Epoxidklebers eintritt. Zum Beispiel liegt bei 13O°C die Aushärtedauer für das angegebene Araldit AV8 bei ca. 14 Stunden. Mit der angegebenen Erwärmung wird das bei Raumtemperatur noch sehr zähe Kunstharz relativ flüssig, und zwar so flüssig, daß in dieses Kunstharz handelsübliches Glaskugelpulver unter Rühren hereingemischt werden kann. Derartiges Glaskugelpulver gibt es unter der Bezeichnung Eccospheres SI der Fa. Emerson & Cumming. Das Mengenverhältnis von Epoxidharz zu Glaskugelpulver wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise so bemessen, daß die Menge des Harzes höchstens dazu ausreicht, die zwischen den einzelnen Kugeln des Glaskugelpulvers zwangsläufig vorhandenen Volumina auszufüllen. Ein solcher Wert läßt sich gegebenenfalls rechnerisch aus der Größenverteilung der Kugeln im Glaskugelpulver ermitteln.

Das Hereinrühren des Glaskugelpulvers in das erwärmte Epoxidharz führt zu einer bröseligen, fast granulatartigen Masse

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die dementsprechend (noch) keine feste Form hat. Diese bröselige Masse wird zur Formgebung in eine Preßform gegeben, und der gewünschte Körper durch Pressen geformt. Anschließend erfolgt das Aushärten, z.B. 6-10 Stunden lang bei 13O⁰C. Es hängt von den Bedingungen des Einzelfalles ab, ob während des Aushärtens der Preßling in der Preßform belassen werden muß. Nach dem geschilderten Verfahren hergestellte Formkörper haben ohne Nachbearbeitung bereits die gewünschte Gestalt und aufgrund ihrer geringen Dichte und ihrer geringen Schallgeschwindigkeit sehr kleinen akustischen Wellenwiderstand, was einer effizienteren Schallübertragung vom Keramikschwinger auf Luft zugute kommt.

Da das Epoxidharz vor erfolgtem Aushärten klebende Eigenschaft hat, ist von besonderem Vorteil die weitere Maßnahme, den Körper aus Piezokeramik und dem gegebenenfalls vorgesehenen Beschwerungsring in die Preßform zu legen und die noch bröselige granulatartige Masse auf die Oberfläche des Keramikkörpers aufzupressen. Während des Aushärtens des Epoxidharzes entsteht eine völlig ausreichend feste Klebverbindung zum Piezokeramikkörper, so daß mit der Erfindung auch das Herstellen dieser Verbindung - vergleichsweise zum Stand der Technik - in integrierter Weise ohne Mehraufwand erreicht ist.

Die beigfügte Fig.1 zeigt eine Preßform mit eingelegter Piezokeramikscheibe und auf diese Scheibe bereits aufgepreßtem Anpassungskörper aus nach den obengenannten Maßnahmen hergestelltem Anpassungsmaterial.

Die Fig.2 zeigt ein Fließbild des Herstellungsverfahrens, dessen Inhalt aus sich heraus die notwendigen Angaben macht.

In Fig.1 ist der Wandler mit 1 bezeichnet. Er besteht aus 35

- feder Piezokeramikscheibe 2, dem Anpassungskörper 3 aus wie erfindungsgemäß hergestelltem Material, und einem Beschwerungsring 4 aus beispielsweise Aluminium. Ein solcher Wandler entspricht im Ergebnis einem Wandler nach dem deutschen Patent 25 41 492.

Mit 11 ist das äußere Teil und mit 12 der Stempel der Preßform bezeichnet. Der Stempel wird durch eine Kraft P aus der mit gestrichelten Linien dargestellten Stellung 112 des Stempels 12 in die in Fig.1 dargestellte Endlage bewegt.

Zunächst werden die Teile 2 und 4 des Wandlers 1 in die Preßform eingelegt. In den Raum oberhalb der Teile 2 und 4 wird die granulatartige Mischung aus Epoxidharz und Glaskugelpulver eingefüllt, z.B. bis zur Unterseite des Stempels in der Stellung 112. Durch Pressen und anschließendes Aushärten erhält man schließlich den fertigen Wandler 1, bei dem die Teile 2, 3 und 4 infolge der Klebeigenschaft des Epoxidharzanteils des Ausgangsmaterials des Anpassungskörpers 3 fest miteinander verbunden sind.

Mit 20 ist die Preßunterlage der gesamten, aus den Teilen 11 und 12 bestehenden Preßform bezeichnet.

Ein Wandler 1 nach der Erfindung ist gegenüber Wandlern nach dem Stand der Technik daran zu erkennen, daß bei ihm mechanische Nachbearbeitungen des Anpassungskörpers 3 entbehrlich sind und daher fehlen. Auch sind die Klebverbindungen zwischen dem Teil 3 einerseits und den Teilen 2 und 4 andererseits integrale Bestandteile des Materials des Anpassungskörpers 3, d.h. es ist kein zusätzlicher Klebstoff verwendet.

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Wandler, der einen keramischen Körper als piezoelektrisches Anregungselement, einen Anpassungskörper (3) und gegebenenfalls einen Beschwerungsring (4) hat, die fest miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch,

- daß der Anpassungskörper aus einer Glashohlkugel-Masse,

- die mit Epoxid-Klebstoffmaterial gebunden ist, besteht, - wobei das Mengenverhältnis von Glashohlkugel-Masse und Klebstoffmaterial derart gewählt ist, daß das Klebstoffmaterial im wesentlichen höchstens in einer solchen Menge enthalten ist, daß die zwischen den Kugeln der Masse zwangsläufig vorhandenen Hohlräume wenigstens weitgehend ausgefüllt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Masse dieses Anpassungskörpers (3) vor ausgehärtetem Zustand auf den keramischen Körper (2) gepreßt und mit dem Aushärten mit dem keramischen Körper (2) des Wandlers (1) verbunden ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach Anspruch

1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zunächst Epoxidharz bis zum Erreichen eines flüssigen Zustands bei einer Temperatur, bei der während der Verarbeitungszeit keine wesentliche Aushärtung eintritt, erwärmt und mit Glaskugelpulver vermischt wird, wobei die Menge des Epoxidharzes so gewählt ist, daß im wesentlichen höchstens die zwischen den Kugeln des Glaskugelpulvers befindlichen Hohlräume weitgehend gefüllt sind, daß die entstandene granulatartige Masse formgepreßt wird und der Aushärtung überlassen wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch/ daß das Pressen unter Beilage sonstiger Teile (2-4) des Wandlers (1) erfolgt und man das Verkleben des aushärtenden, aus dem Granulat gepreßten Anpassungskörpers (3) mit den weiteren Teilen (2-4) des Wandlers (1) vor sich gehen läßt.