DE3920872A1 - Verfahren zur herstellung von ultraschall-wandlern, insbesondere von schichtwandlern, die ausser piezoelektrischem material auch kunststoffmaterial umfassen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von ultraschall-wandlern, insbesondere von schichtwandlern, die ausser piezoelektrischem material auch kunststoffmaterial umfassen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE-C-25 37 788 ist ein Ultraschallwandler zur Aussen­ dung von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlängen bekannt. Sein Wandlerkörper besteht zum einen aus Piezokeramik und ist auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen mit den Elektroden eines Elektrodenpaares belegt. Auf der zur Schallaussendung vorgesehenen Oberfläche des Wandlerkörpers befindet sich, und zwar zur Anpassung der Schallkenn-Impedanzen der Piezokeramik und des Ausbreitungsmediums Luft aneinander, eine Lambda-Viertel-Schicht aus einem Material mit einer Schallkenn-Impedanz, die zwischen der der Keramik und der der Luft liegt. Als Material ist hierfür z.B. Polystyrol angegeben, das mit Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid gefüllt ist und so die Eigenschaften eines Schaumstoffes hat. Die Herstellung solchen Materials ist in der genannten Patentschrift ausführlich angegeben. Diese Schicht wird als Anpassungsschicht oder als Anpassungskörper bezeichnet.
In ähnlicher Weise aufgebaute Schallwandler gehen aus weiterem Stand der Technik hervor. Im Prinzip gleichen sie sich weit­ gehend darin, daß zusätzlich zur schallharten Piezokeramik ein weit weniger schallharter, geschäumter Kunststoff Bestandteil eines solchen Wandlers ist.
Weitere piezoelektrische Wandler, die aus Piezokeramiklamellen und Kunststoffmaterial, insbesondere thermoplastischem Polyäthylen bestehen, sind aus der US-A-46 77 337 bekannt. Es sind dies ebenfalls Schichtwandler. Das Kunststoffmaterial bildet hier den einstückigen Verbund zwischen den Lamellen.
Bei der Herstellung aller derartigen Wandler ist es erforderlich, eine dauerhaft haltbare Verbindung zwischen der Piezokeramik und dem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei die jeweilige Oberfläche der Piezokeramik mit einer Metallisierungsbeschichtung als Elektrode versehen sein kann.
Bisher werden Schichtwandler unter Verwendung flüssiger, aushärtender Spezialkleber oder durch eine Preßverformung her­ gestellt, bei der ein Stapel aus Piezokeramiklamellen und Thermoplastplättchen bei Temperaturen oberhalb der Schmelz­ temperatur des Thermoplastes verfestigt wird. Beide Verfahren sind zeitraubend und aufwendig. Die Verwendung flüssiger Kleber, z.B. Zweikomponentenkleber, erfordert präzise Dotierung, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Manche Thermoplaste, z.B. das häufig benutzte Polyäthylen, müssen aufwendig vorbehandelt werden, (Ätzbäder, Abflammen), um dauerhafte Klebung zu erzielen. Auch ist Aufwand erforderlich, den fertigen Wandler nachzubearbeiten, um z.B. Klebfugen und dergleichen eben zu machen.
Ein homogener Verbund wird durch die Preßverformung erzielt, wobei insbesondere die als Schall-Abstrahlfläche des Wandlers vorgesehene Fläche des Wandlerkörpers ohne sichtbare Fugen bleibt. Dieses Verfahren hat jedoch eine Reihe Nachteile, ins­ besondere daß es zeit- und energieaufwendig ist und im Her­ stellungsverfahren Materialveränderungen an dem Kunststoffma­ terial eintreten, die sich nachteilig auf die elektroakustischen Kenndaten des Wandlers auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzu­ geben, mit dem möglichst wenig aufwendig ein solcher Schicht­ wandler, bestehend aus dem piezoelektrischen Material, und an sich bekanntem thermoplastischen Material der An­ passungsschicht, herzustellen ist. Der Wandler soll einen möglichst großen Wirkungsgrad haben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein Herstellungsverfahren, das die Verwendung eines zusätzlichen Klebers vorsieht, kein Weg zur Erfüllung der zugrundeliegenden Aufgabenstellung ist. Vielmehr ist ein Herstellungsverfahren weiter zu entwickeln, das das Klebvermögen thermoplastischer Materialien zur Verbindung eines solchen mit dem piezoelektr­ ischen Material des Wandlers nutzt, und zwar auch dann, wenn das thermoplastische Material des Wandlers als Schaumstoff vor­ liegen muß. Bekanntermaßen kann in der Regel aber derartiger Schaumstoff nicht erwärmt werden, da er dann diese Eigenschaft verliert. Insbesondere verschwinden bei Erwärmung und Pressen von thermoplastischem Schaumstoff die für diesen Schaum besonders relevanten geschlossenzelligen Poren.
Mit der Lehre der Erfindung braucht nicht auf das übliche, aufwendige Kleben zurückgegriffen zu werden.
Wie aus den Merkmalen des Patentanspruches hervorgeht, wird bei der Erfindung mit Erwärmung gearbeitet, jedoch dabei mit einer ganz ungewöhnlichen Wärmequelle. Die Wärmequelle ist nämlich die Piezokeramik des eigentlichen Wandlerkörpers, in dem bei entsprechend hoher elektrischer Schwingungsanregung ein erheb­ liches Maß an thermischer Verlustleistung entsteht, die unmit­ telbar an der Oberfläche des Keramikkörpers zur Verfügung steht. Gerade diese Oberfläche der Keramik ist aber diejenige, an der das Kunststoffmaterial, z.B. der thermoplastische Schaumstoff und dergleichen, anzukleben ist. Diese beiden durch Kleben miteinander zu verbindenden Oberflächen des piezoelektrischen Wandlerkörpers und des Kunststoffmaterials werden durch die in der Keramik erzeugte Verlustleistung direkt aufgeheizt. Das Kunststoffmaterial wird nur im Bereich dieser an der Piezokeramik anliegenden Oberfläche bis zu einer nur geringen Schichtdicke derart aufgeheizt, daß dort der thermoplastische Zustand mit Klebwirkung erzielt wird. Weiter entfernt von dieser an der Piezokeramik anliegenden Fläche bleibt das Material kalt. Es kann deshalb auch ohne weiteres ein Anpreßdruck ausgeübt werden, da der im kalten Zustand bleibende Schaumstoffkörper dabei seine Eigenschaften nicht verändert, wohl aber ein gutes Verkleben der von der Keramik her erwärmten Oberflächenschicht des Anpassungskörpers mit der Keramik zu erzielen ist.
Im Einzelfall kann mit zeitlich mehr oder weniger langen Impulsen gearbeitet werden, mit denen mittels eines Leistungs-Hochfrequenzgenerators die Piezokeramik des Wandlers erwärmt wird. Die Dauer und/oder Amplitude eines solchen Impulses kann im Hinblick auf zu erreichende Tiefe der Schmelzzone im Thermoplast optimiert werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt neben der einfachen Ausführbar­ keit des Verfahrens darin, daß die für das Verkleben notwendige Schmelzwärme für das thermoplastische Material des Anpassungs­ körpers genau und ausschließlich dort bereitgestellt wird, wo diese Wärme erforderlich ist, nämlich im Bereich der zu verkle­ benden Fläche. Weiter von Vorteil ist, daß diese Wärme zu gleicher Zeit gleichmäßig über die Klebfläche hinweg verteilt in ausreichendem und in wesentlichem gleichen Maße zur Verfügung steht. Von besonderem Interesse ist dies für Schichtwandler-Arrays nach der US-A-46 77 337. Bei Wandlern dieser Patentschrift und ähnlichen Ultraschall-Wandlern ist eine Vielzahl von piezokeramischen Lamellen mit diese Lamellen umgebendem thermoplastischen Material zu verkleben, und zwar dies formgenau. Bei Anwendung von Wärme von außen ergab sich häufig der Mangel, daß äußere Bereiche des Verbundkörpers des Schichtwandlers durch höhere Erwärmung bei dem anliegenden Druck dahingehend verformt waren, daß die vorgegebenen Schicht­ dicken des thermoplastischen Materials zwischen den einzelnen Keramiklamellen des Wandlers verringert waren und/oder in diesen Bereichen das Maß des Schäumungszustandes des Materials verändert war. Bei Anwendung der Erfindung ist dies zuverlässig vermieden, d.h. es ist ein aus vielen Piezokeramik-Lamellen mit dazwischenliegendem Kunststoff bestehendes Ultraschallwandler-Array herstellbar, das die vorgegebene Bemessung auch im Detail aufweist.
Die Figur zeigt mit 1 bezeichnet einen Schichtwandler, be­ stehend aus mit Elektroden versehenen Piezokeramik-Lamellen 2 und aus Platten 3 aus Kunststoffmaterial (z.B. Polyäthylen), das zu einem vorgegebenen Maß geschäumt sein kann. Mit P ist auf einen Anpreßdruck der Platte 10 hingewiesen. Mittels des mit den Leitungen 9 an die Elektroden der Oberflächen der Lamellen 2 angeschlossenen Hochfrequenz-Generators Hf wird das Piezo­ material der Lamellen 2 zu starken Schwingungen angeregt. Dabei tritt eine für das Verkleben notwendige und ausreichende Er­ wärmung des Piezomaterials ein.

Claims (6)

1. Verfahren zum Heiß-Verkleben des auf Oberflächen mit Elektroden versehenen, aus piezoelektrischem Material be­ stehenden Anteils und des thermoplastisches Material um­ fassenden Anteils des Wandlers, wobei diese Anteile anein­ anderliegend unter Wärmezufuhr miteinander zu verkleben sind, gekennzeichnet dadurch,
daß die Wärmezufuhr in der Weise bewirkt wird, daß der aus piezoelektrischem Material bestehende Anteil (2) des Wandlers durch Anlegen elektrischer Hochfrequenzspannung an dessen Elektroden zu mechanischen Schwingungen mit derartiger Amplitude angeregt wird,
daß durch die dabei auftretende Verlustwärme das thermo­ plastische Material an und nur im Nahbereich der Verklebungs­ fläche für die für den Klebvorgang notwendige Zeitdauer bis in seinen klebfähigen Zustand erwärmt wird und dann Abkühlung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß zumindest während der Dauer des klebfähigen Zustandes nicht die Verklebungsfläche unter mechanischem Anpreßdruck (P) befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß die die Verlustwärme erzeugenden Schwingungen impuls­ weise erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch , daß das thermoplastische Material Polyäthylen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch , daß das thermoplastische Material Polystyrol ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch , daß das thermoplastische Material sich in einem an sich temperaturempfindlichen geschäumten Zustand befindet.
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