EP0498015B1 - Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an ultrasonic transducer with a piezoelectric transducer element, which is connected to an acoustic matching layer, which is the only, uniform body made of vibrating elastomer.
- the contact pressure is limited with a spring system belonging to the device, so that the transducer element designed as piezoceramic does not suffer from excessive pressure with regard to its properties, such as polarization and sensitivity.
- the centering element used in the aforementioned method has openings or cavities into which lead wires contacted on the transducer element must be threaded prior to the application of the matching layer. It is not possible to check the quality of the matching layer itself, which can be restricted, for example, by undesirable air pockets.
- the body is first made of elastomer as a molded part with centering contours and in a further process step the transducer element is inserted into the elastomer body with centering by the centering contours and is connected to the matching layer.
- This enables the properties of the matching layer to be checked with regard to physically important parameters such as density, speed of sound, homogeneity, etc., so that only the molded part is eliminated in the event of a negative test result.
- the quality of the matching layer itself can easily be checked with several measurements.
- the ultrasound transducer is tested together with the transducer element in the prior art, which leads to higher rejects and unnecessary costs.
- the transducer element is not exposed to any pressure when applying the matching layer and thus retains its sensitivity unchanged.
- Another advantage of the manufacturing process is that only a few and simple tools and aids are required. In order to achieve good sound transmission from the transducer element to the matching layer, it proves to be advantageous that the transducer element is glued to the matching layer.
- a simple embodiment of the invention exists when two of its surfaces are metallized for the electrical connection of the transducer element and when the first metallized surface is bonded to the matching layer, a first lead wire is interposed and contacted by the adhesive pressure with the metallized surface, and in that a second lead wire is contacted by soldering on the other metallized surface. It is to be regarded as particularly favorable here that a cumbersome threading of the lead wires is avoided.
- the molded part is designed such that after insertion of the transducer element it has a space that can be filled with a damping material, this results in the Advantage of a uniform transducer structure, consisting of the molded part, which receives the transducer element and can also serve as a holder for the damping material if necessary.
- a good effect of the adaptation layer is achieved if the elastomer from which the acoustic adaptation layer is made has a propagation speed for longitudinal waves between 800 and 1600 m / s, a density between 500 and 1500 kg / m3, a low modulus of elasticity and a low mechanical vibration damping .
- the adaptation layer 3 is a component of the molded part 2. It forms the sound-emitting and receiving element of the ultrasonic transducer and has a thickness of ⁇ / 4, where ⁇ is the wavelength of the Transducer vibration in the matching layer 3 is. It is used to adjust the high acoustic wave resistance of the transducer element of approx. 2. 107 kg / m2s to the very low wave resistance of the air of 4. 102 kg / m2s.
- the adaptation enables a high level of efficiency in sound radiation and reception.
- the acoustic wave resistance is made up of the product of the speed of sound and density, so that low values of these two material constants are a prerequisite for good adaptation to the medium air.
- Elastomers with densities between 500 and 1500 kg / m3 and with propagation speeds for longitudinal waves between 800 and 1600 m / s result in a good one Adaptation to the ambient medium air.
- the material of the matching layer should also have a low mechanical damping constant.
- the transducer element 1 is glued to the matching layer 3 of the molded part 2, it being possible for the adhesive pressure to serve at the same time for contacting a first lead wire with a metallized surface 7 of the transducer element 1.
- a second lead wire 10 is soldered directly to a second metallized surface 8 for connecting the transducer element.
- the molded part 2 protrudes only partially on the sides of the disk-shaped transducer element 1.
- FIG 2 shows an ultrasonic transducer with a molded part 2, which forms a space 5 after insertion of the transducer element 1, which, if necessary, can be filled with damping material 6.
- the damping material 6 can be attached by means of adhesive or casting technology and serves to reduce the transducer quality, as is required for use in close-up measurements.
- the described method is suitable for easily meeting different material combinations with regard to acoustic, physical or chemical requirements. It is irrelevant whether additional housing parts or shielding elements and the like are integrated at the same time.
- the method according to the invention for producing transducers from prefabricated elements offers the advantage that the transducer components can be tested as individual parts during preliminary tests in their geometric dimensions or the acoustically important material parameters; Deviations in the characteristic data are not determined only after the complete converter has been completed.
- the described method is not restricted to rotationally symmetrical constructions; rather, transducers with square, rectangular or elliptical geometry can also be constructed using the described elastic molded parts.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das mit einer akustischen Anpaßschicht verbunden ist, die als einziger, einheitlicher Körper aus schwingungsfähigem Elastomer besteht.
- Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern der obengenannten Art sind bekannt (siehe US 4 128 370 ). Hierin ist ein Festkörper-Ultraschallwandler offenbart, bei dem zur Anpassung an das Umgebungsmedium Luft eine Anpaßschicht, bestehend aus einem Elastomer, verwendet wird. Bei der Applikation des Elastomers auf das Wandlerelement soll dieses gegenüber seiner Außenkontur oder einem Gehäuse möglichst genau in Position gehalten werden. Hierzu werden gemäß dem obengenannten US-Patent Zentrierteile verwendet, die das Wandlerelement sowohl zentrisch als auch in der Höhe und Planparallelität positionieren. Zur Applikation der Elastomer-Anpaßschicht auf das Wandlerelement wird eine aufwendige Vorrichtung eingesetzt, die erwärmtes Elastomer unter Druck in einen besonders gestalteten Hohlraum direkt auf das Wandlerelement aufpreßt. Mit einem zur Vorrichtung gehörigen Federsystem wird der Anpreßdruck begrenzt, damit das als Piezokeramik ausgebildete Wandlerelement nicht unter übermäßigem Druck hinsichtlich seiner Eigenschaften, wie z.B. Polarisation und Empfindlichkeit leidet. Das beim vorgenannten Verfahren benutzte Zentrierelement weist Öffnungen bzw. Hohlräume auf, in die am Wandlerelement kontaktierte Leitungsdrähte vor der Applikation der Anpaßschicht eingefädelt werden müssen. Eine Prüfung der Güte der Anpaßschicht selbst, die z.B. durch unerwünschte Lufteinschlüsse eingeschränkt sein kann, ist nicht möglich.
- Daher besteht die Aufgabe, obengenanntes Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern unter Vermeidung der erwähnten Nachteile zu vereinfachen und zu verbessern. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst der Körper aus Elastomer als Formteil mit Zentrierkonturen hergestellt wird und in einem weiteren Verfahrensschritt das Wandlerelement in den Elastomerkörper unter Zentrierung durch die Zentrierkonturen eingelegt und mit dessen Anpaßschicht verbunden wird. Hiermit wird die Prüfung der Eigenschaften der Anpaßschicht hinsichtlich physikalisch wichtiger Parameter wie Dichte, Schallgeschwindigkeit, Homogenität usw. ermöglicht, so daß bei negativem Prüfergebnis nur das Formteil ausgeschieden wird. Die Prüfung der Güte der Anpaßschicht für sich ist mit mehreren Messungen einfach durchzuführen. Im Gegensatz hierzu wird beim Stand der Technik der Ultraschallwandler mit dem Wandlerelement zusammen geprüft, was zu höheren Ausschüssen und unnötigen Kosten führt. Das Wandlerelement wird beim vorliegenden Herstellungsverfahren keinem Druck bei der Applikation der Anpaßschicht ausgesetzt und behält somit unverändert seine Empfindlichkeit bei. Ein weiterer Vorteil des Herstellungsverfahren besteht darin, daß nur wenige und einfache Werkzeuge und Hilfsmittel benötigt werden. Um eine gute Schallübertragung vom Wandlerelement zur Anpaßschicht zu erreichen, erweist es sich als vorteilhaft, daß das Wandlerelement mit der Anpaßschicht verklebt wird. Eine einfache Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn zum elektrischen Anschluß des Wandlerelements Zwei seiner Oberflächen metallisiert sind und bei der Verklebung der ersten metallisierten Oberfläche mit der Anpaßschicht ein erster Leitungsdraht zwischengeschoben und durch den Klebedruck mit der metallisierten Oberfläche kontaktiert wird, und daß ein zweiter Leitungsdraht durch Löten auf der anderen metallisierten Oberfläche kontaktiert wird. Als besonders günstig ist hierbei anzusehen, daß ein umständliches Einfädeln der Leitungsdrähte vermieden wird. Ist das Formteil derart ausgebildet, daß es nach Einfügen des Wandlerelementes einen Raum aufweist, der mit einem Dämpfungsmaterial ausfüllbar ist, so ergibt sich hiermit der Vorteil eines einheitlichen Wandlergebildes, bestehend aus dem Formteil, welches das Wandlerelement aufnimmt und zugleich im Bedarfsfall als Halterung für das Dämpfungsmaterial dienen kann. Eine gute Wirkung der Anpaßschicht wird erzielt, wenn das Elastomer, aus dem die akustische Anpaßschicht besteht, eine Ausbreitungsgeschwindigkeit für Longitudinalwellen zwichen 800 und 1600 m/s, eine Dichte zwischen 500 und 1500 kg/m³, einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine niedrige mechanische Schwingdämpfung hat.
- Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigen:
- FIG 1 einen Ultraschallwandler ohne Dämpfungsmaterial,
- FIG 2 einen Ultraschallwandler mit Dämpfungsmaterial.
- In FIG 1 ist ein Ultraschallwandler abgebildet, der ein als akustische Anpaßschicht 3 ausgebildetes Formteil 2 und ein darin positioniertes Wandlerelement 1 aufweist. Die Positionierung des Wandlerelements 1 erfolgt über Zentrierkonturen 4 in dem Formteil 2. Die Anpaßschicht 3 ist Bestandteil des aus einem Guß gefertigten Formteils 2. Sie bildet das schallabstrahlende und empfangende Element des Ultraschallwandlers und hat eine Dicke von λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Wandlerschwingung in der Anpaßschicht 3 ist. Sie dient zur Anpassung des hohen akustischen Wellenwiderstands des Wandlerelements von ca. 2 . 10⁷ kg/m²s an den sehr niedrigen Wellenwiderstand der Luft von 4 . 10² kg/m²s. Die Anpassung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad bei Schallabstrahlung und -empfang. Der akustische Wellenwiderstand setzt sich zusammen aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und Dichte, so daß niedrige Werte dieser beiden Materialkonstanten eine Voraussetzung für eine gute Anpassung an das Medium Luft darstellen. Elastomere mit Dichten zwischen 500 und 1500 kg/m³ sowie mit Ausbreitungsgeschwindigkeiten für Longitudinalwellen zwischen 800 und 1600 m/s ergeben eine gute Anpassung an das Umgebungsmedium Luft. Zur Erzielung großer Reichweiten sollte der Werkstoff der Anpaßschicht außerdem eine niedrige mechanische Dämpfungskonstante aufweisen.
- Das Wandlerelement 1 wird mit der Anpaßschicht 3 des Formteils 2 verklebt, wobei zugleich der Klebedruck zur Kontaktierung eines ersten Leitungsdrahtes mit einer metallisierten Oberfläche 7 des Wandlerelementes 1 dienen kann. An eine zweite metallisierte Oberfläche 8 wird direkt ein zweiter Leitungsdraht 10 zum Anschluß des Wandlerelementes gelötet. Bei dieser Ausführungsform steht das Formteil 2 nur teilweise an den Seiten des hier scheibenförmigen Wandlerelementes 1 über. Demgegenüber zeigt FIG 2 einen Ultraschallwandler mit einem Formteil 2, das nach Einlegen des Wandlerelements 1 einen Raum 5 bildet, der mit Dämpfungsmaterial 6, soweit erforderlich, ausgefüllt werden kann. Das Dämpfungsmaterial 6 läßt sich hierbei mittels Klebe- oder Gießtechnik anbringen und dient zur Reduzierung der Wandlergüte, wie sie für den Einsatz zu Messungen im Nahbereich erforderlich ist.
- Das beschriebene Verfahren ist geeignet, unterschiedliche Werkstoffkombinationen hinsichtlich akustischer, physikalischer oder chemischer Anforderungen einfach zu erfüllen. Dabei ist es unerheblich, ob gleichzeitig weitere Gehäuseteile oder Abschirmelemente und ähnliches integriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der Wandlerherstellung aus vorgefertigten Elementen bietet den Vorteil, daß die Wandlerkomponenten bereits bei Vorprüfungen in ihren geometrischen Abmessungen oder den akustisch wichtigen Materialparametern als Einzelteile geprüft werden können; Abweichungen in den Kenndaten werden nicht erst nach der Fertigstellung des kompletten Wandlers festgestellt. Das beschriebene Verfahren ist nicht auf rotationssymmetrische Konstruktionen beschränkt; vielmehr können auch Wandler mit quadratischer, rechteckiger oder elliptischer Geometrie mittels beschriebener elastischer Formteile aufgebaut werden.
Claims (5)
- Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem piezoelektrischen Wandlerelement (1), das mit einer akustischen Anpaßschicht (3) verbunden ist, die als einziger, einheitlicher Körper (2) aus schwingungsfähigem Elastomer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Körper aus Elastomer als Formteil (2) mit Zentrierkonturen (4) hergestellt wird und in einem weiteren Verfahrensschritt das Wandlerelement (1) in den Elastomerkörper (2) unter Zentrierung durch die Zentrierkonturen (4) eingelegt und mit dessen Anpaßschicht (3) verbunden wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (1) mit der Anpaßschicht (3) verklebt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum elektrischen Anschluß des Wandlerelements (1) zwei seiner Oberflächen (7, 8) metallisiert sind, daß bei der Verklebung der ersten metallisierten Oberfläche (7) mit der Anpaßschicht (3) ein erster Leitungsdraht (9) zwischengeschoben und durch den Klebedruck mit der metallisierten Oberfläche kontaktiert wird, und daß ein zweiter Leitungsdraht (10) durch Löten auf der anderen metallisierten Oberfläche (8) kontaktiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (2) derart ausgebildet ist, daß es nach Einfügen des Wandlerelementes (1) einen Raum (5) aufweist, der mit dem Dämpfungsmaterial (6) ausfüllbar ist.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer, aus dem die akustische Anpaßschicht (3) besteht, eine Ausbreitungsgeschwindigkeit für Longitudinalwellen zwichen 800 und 1600 m/s und eine Dichte zwischen 500 und 1500 kg/m³ hat.
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