DE10126430C1

DE10126430C1 - Verfahren zum Applizieren von Backing-Material

Info

Publication number: DE10126430C1
Application number: DE2001126430
Authority: DE
Inventors: Thomas John; Thomas Trautmann; Olaf Walter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2021-06-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren von Backing-Material bei der Herstellung von Ultraschall-Wandlern, die ein Gehäuse mit einem vorderseitig angeordneten Wandlerelement und einer rückseitigen Öffnung aufweisen, bei dem das Backing-Material durch die rückseitige Öffnung in das Gehäuse eingebracht wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse nach dem Einbringen des Backing-Materials in einer Rotationsvorrichtung zentrifugiert wird. DOLLAR A Mit dem Verfahren lassen sich auch hochviskose Backing-Materialien reproduzierbar applizieren und Hinterschneidungen im Gehäuse zuverlässig füllen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren von Backing-Material bei der Herstellung von Ultraschall-Wandlern, die ein Gehäuse mit einem vorderseitig angeordneten Wandlerelement und einer rückseitigen Öffnung aufweisen, bei dem das Backing-Material durch die rückseitige Öffnung das Gehäuse eingebracht wird.

Bei derartigen Ultraschall-Wandlern besteht das Wandlerelement in der Regel aus einer piezoelektrischen Keramik, mit der unter Nutzung des inversen piezo elektrischen Effektes Ultraschall erzeugt wird. Die piezoelektrische Keramik ist in vielen Fällen scheiben förmig ausgebildet und auf einer Membran aufgebracht, die am vorderseitigen Ende des Wandler-Gehäuses eingespannt ist. Die in Schwingung versetzte Keramik schallt nach allen Seiten Ultraschall ab. Die Schall ausbreitung in den rückwärtigen Bereich des Gehäuses ist jedoch unerwünscht und kann durch Rückreflexion an einer Grenzfläche die vorderseitige Signalausbreitung in erheblichem Maße stören. Zur Verminderung der rückwärtigen Schallabstrahlung werden rückseitig sog. Backing-Materialien auf das Wandlerelement aufgebracht. Diese Backing-Materialien bestehen aus geeigneten Stoffen oder Stoffmischungen, die eine hohe Absorption für den sich rückwärtig ausbreitenden Ultraschall aufweisen. Derartige Backing-Materialien setzen sich in vielen Fällen aus mehrkomponentigen Polymeren zusammen, die mitunter mit zusätzlichen Füllstoffen, wie bspw. Wolframpulver und/oder Aluminiumoxidpulver gefüllt sind. Die Füllstoffe dienen der Anpassung der akustischen Impedanz des Backing-Materials an das Material des Wandlerelementes.

Stand der Technik

Bei der Herstellung von Ultraschall-Wandlern, die ein Gehäuse mit einem vorderseitig angeordneten Wandlerelement und einer rückseitigen Öffnung aufweisen, wird das Backing-Material durch die rückseitige Öffnung in das Gehäuse eingebracht. Dieser Applikationsschritt erfolgt derzeit je nach Viskosität des Backing-Materials oder Geometrie des zu füllenden Gehäusevolumens entweder mittels eines Dispensers oder per Hand. Ungefüllte oder teilgefüllte Backings werden in der Regel mittels Dispenser verarbeitet, da deren Viskosität ausreichend niedrig ist. Bei zunehmender Füllstoffmenge erhöht sich die Viskosität des Backing- Materials jedoch derart, dass dieses nicht mehr mit einem Dispenser appliziert werden kann. Außerdem kommt es durch die zugemischten Füllstoffpartikel zu Abrasiv erscheinungen und somit einem schnelleren Verschleiß des Dispensers.

Backing-Materialien, die einen hohen Füllstoffgrad aufweisen, werden daher meist manuell in die Wandler gehäuse bzw. auf die Rückseite des Wandlerelementes aufgebracht. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch die mangelhafte Reproduzierbarkeit sowie eine kaum mögliche Kontrolle der Prozessparameter während der Fertigung aufgrund der starken Abhängigkeit von der applizierenden Person. Die schlechte Reproduzierbarkeit führt dazu, dass die mit dem Backing-Material versehenen Ultraschall-Wandler unterschiedlich ausgeprägte Signalstörungen aufgrund der von Wandler zu Wandler unterschiedlich stark unterdrückten rück wärtigen Schallabstrahlung aufweisen. Gerade Luft einschlüsse im Backing-Material können hierbei zu störenden Rückreflexionen führen.

Eine weitere in der Praxis angewandte Methode, bei der die Backing-Materialien separat gefertigt und als fertige Blöcke auf die Rückseite des Wandlerelementes aufgebracht werden, bringt zwar Vorteile hinsichtlich der Prozesskontrolle und Reproduzierbarkeit, ist aber nicht in der Lage, Nuten oder andere Arten von Hinter schneidungen im Wandlergehäuse mit Backing-Material zu füllen.

Aus der US 4382201 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Backing-Materials für Hochfrequenz-Ultraschallwandler bekannt, bei dem Wolframpulver und PVC-Pulver erhitzt und unter hohem Druck abgekühlt werden. Auf eine Technik zum Applizieren dieses Backing-Materials wird jedoch in dieser Druckschrift nicht eingegangen.

In den Patent Abstracts of Japan 60114100 A wird ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern angegeben, bei dem eine piezoelektrische Keramikplatte auf einem Halteblock befestigt in einzelne Teilstücke zerteilt wird. Die einzelnen Teilstücke werden verdrahtet. Anschließend wird die zerteilte Keramikplatte auf dem Halteblock mit einem Rahmen umgeben, in den flüssiges Backing-Material eingegossen wird. Nach dem Aushärten dieses Backing-Materials werden der Rahmen und der Halteblock entfernt, so dass ein Ultraschallwandler-Array erhalten wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Applizieren von Backing-Material bei der Herstellung von Ultraschall-Wandlern anzugeben, das auch bei Backing-Materialien mit hohem Füllstoffanteil eine reproduzierbare Applikation sowie das Füllen von Hinterschneidungen im Wandlergehäuse ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem vorliegenden Verfahren zum Applizieren von Backing-Material bei der Herstellung von Ultraschall- Wandlern, die ein Gehäuse mit einem vorderseitig angeordneten Wandlerelement, bspw. einer Piezokeramik, und einer rückseitigen Öffnung aufweisen, wird das Backing-Material in bekannter Weise durch die rückseitige Öffnung in das Gehäuse eingebracht. Das Gehäuse wird anschließend derart in einer Rotations vorrichtung zentrifugiert, dass das Backing-Material mit einer gegen das vorderseitige Wandlerelement gerichteten Zentrifugalkraft beaufschlagt wird. Durch die Ausnutzung der Zentrifugalkraft bzw. durch die Erzeugung hoher Radialbeschleunigungen dringt das Backing-Material in alle Bereiche des Wandlergehäuses vor, so dass auch Nuten, Hinterschneidungen oder Ähnliches durch das Backing-Material gefüllt werden.

Durch die Zentrifugation wird weiterhin eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens unabhängig von der Art des Eindringens des Backing-Materials in das Gehäuse erreicht. Unabhängig davon, ob das Backing- Material per Hand oder automatisch eingebracht wurde, erfolgt die Verteilung des Materials innerhalb des Gehäuses immer unter den gleichen kontrollierbaren Bedingungen. Die Prozessparameter, d. h. die auf das Backing-Material einwirkende Zentrifugalkraft kann über die Prozessparameter exakt kontrolliert werden. Als wichtige Prozessparameter sind hierbei die Umdrehungs geschwindigkeit der Rotationsvorrichtung, die Zeitdauer der Zentrifugation, die Einspannlänge des Gehäuses in der Rotationsvorrichtung, d. h. der Abstand des Wandlerelementes zur Rotationsachse, sowie die Füllhöhe des Gehäuses mit dem Backing-Material zu nennen. Die erforderliche Menge an Backing-Material kann unter den bekannten Prozessbedingungen exakt im Voraus berechnet werden.

Da eine Zentrifugation allerdings auch eine Trennung der Komponenten des Backing-Materials bewirken kann, müssen die Prozessparameter derart gewählt werden, dass die Radialbeschleunigung gerade zur Formfüllung des Gehäuseinneren mit dem Backing-Material ausreicht, jedoch noch keine Trennung von Grundmaterial (z. B. Polymer) und Füllstoffen hervorgerufen wird, die die Ultraschall absorbierende Wirkung des Backing- Materials beeinträchtigen würde. Diese Randbedingung lässt sich jedoch in der Praxis ohne weiteres einhalten.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht somit eine reproduzierbare Füllung rückwärtiger Bereiche von Ultraschall-Wandlern mit Schall absorbierenden Backing- Materialien. Bei dem Verfahren lassen sich die Prozess parameter während der Applikation exakt kontrollieren. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer form schlüssigen Verbindung des Backing-Materials mit dem Gehäuse in allen Gehäusebereichen, so dass im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren auch mit hochviskosen, gefüllten Backing-Materialien Gewindeeinstiche und Hinterschneidungen im Gehäuse formschlüssig gefüllt werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird nicht das gesamte zu füllende Gehäusevolumen in einem Schritt mit dem Backing-Material gefüllt und zentrifugiert. Das Backing-Material wird vielmehr in einzelnen Teilmengen in das Gehäuse eingebracht und nach dem Einbringen jeder Teilmenge für eine bestimmte Zeitdauer zentrifugiert. Diese schrittweise Fülltechnik bietet den Vorteil, dass sich eventuelle Lufteinschlüsse im Backing-Material beim Zentrifugiervorgang lösen und nicht im Backing verbleiben. Die jeweilige Teilmenge an Backing-Material, nach dessen Einbringen ein Zentri fugiervorgang stattfindet, kann je nach Viskosität des Materials und Geometrie des Gehäusevolumens gewählt werden.

Beim Vorliegen von Hinterschneidungen oder ähnlichem im Gehäuse wird die für den Bereich der Hinterschneidung vorgesehene Teilmenge so gewählt, dass mit dieser Teilmenge eine Füllhöhe erreicht wird, die die Hinterschneidung gerade abdeckt. Beim anschließen den Zentrifugieren nach dem Einbringen dieser Teilmenge kann eingeschlossene Luft leicht aus der Hinter schneidung entweichen, so dass eine zuverlässige und gleichmäßige Füllung der Hinterschneidung erreicht wird.

Bei der Fertigung der Ultraschall-Wandler wird der Zentrifugierprozess vorzugsweise in einer Rotations vorrichtung, bspw. einer herkömmlichen für die Aufnahme von Ultraschall-Wandler-Gehäusen angepassten Zentri fuge, durchgeführt, die mehrere Wandler-Gehäuse gleich zeitig aufnehmen kann. Auf diese Weise wird der Zeit aufwand für das Applizieren des Backing-Materials reduziert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Beispiel für die Geometrie eines zu füllenden Wandler gehäuses;

Fig. 2 eine Abbildung des Wandler-Gehäuses der Fig. 1 nach dem Applizieren des Backing-Materials;

Fig. 3a/b zwei vergrößerte photographische Darstellungen, die die Füllung von Hinterschneidungen und Gewinde bereichen des Gehäuses der Fig. 2 zeigen; und

Fig. 4 ein Beispiel für eine Rotations vorrichtung zur Durchführung der Zentrifugation.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch ein Gehäuse 1 eines Ultraschall-Wandlers, an dem das vorliegende Verfahrens nochmals kurz erläutert wird. In der Figur ist das Gehäuse 1 mit dem vorder seitig angeordneten Wandlerelement 2 und einer rück seitigen Öffnung 3 zu erkennen. Das Innere des Gehäuses 1 weist in diesem Beispiel einen umlaufenden Kragen auf, durch den eine Hinterschneidung 5 gebildet wird. Im vorderen Teil des Gehäuses ist weiterhin ein Gewinde 6 vorgesehen, das der Befestigung des Wandlerelementes 2 dient.

Beim Applizieren eines Backing-Materials auf die Rückseite des Wandlerelementes 2 in das Gehäuse 1 wird zunächst die Menge an Backing-Material berechnet, um das Gehäuse bis zu einer vorgebbaren Füllhöhe aufzu füllen. Diese Berechnung erfolgt unter Berücksichtigung der durch die Zentrifugation auftretenden Kräfte.

Die Gesamtmenge an errechnetem Backing-Material wird schließlich in einzelne Teilmengen unterteilt, die sich nach der inneren Geometrie des Gehäuses 1 richten. Zumindest die Teilmenge, die den Bereich der Hinter schneidung 5 im Gehäuse abdeckt wird derart gewählt, dass mit ihr eine Füllhöhe erreicht wird, die knapp oberhalb der Hinterschneidung 5 liegt.

Im vorliegenden Beispiel wurde als Backing Material Epoxy-Wolframpulver (250 µm) im Verhältnis 1 : 16 Gewichtsanteile eingesetzt, dessen Gesamtmenge von 23 ml in 6 Teilmengen unterteilt wurde.

Das Gehäuse 1 wird in eine Rotationsvorrichtung 7 eingespannt, wie sie in der Fig. 4 zu erkennen ist. Die in Fig. 4 perspektivisch dargestellte Rotations vorrichtung 7 weist eine zentrale Drehachse 10 auf, die über einen Motor 8 mit einer vorgebbaren Drehzahl in Rotation versetzt werden kann. Die Rotationsvorrichtung 7 ist mit Halterungen für mehrere Ultraschallwandler- Gehäuse 1 ausgestattet und von einem Schutzgitter 9 umgeben.

Im Ruhezustand der Rotationsvorrichtung 7 hängen die eingespannten Ultraschallwandler-Gehäuse 1 vertikal, so dass die erste Teilmenge an Backing- Material problemlos durch die Öffnung 3 eingefüllt werden kann. Nach dem Einfüllen der ersten Teilmenge wird die Rotationsvorrichtung in Betrieb gesetzt, wobei im vorliegenden Beispiel eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 500 U/min gewählt und für eine Zeitdauer von 45 s aufrecht erhalten wird. Während dieser Rotation richten sich die Wandlergehäuse 1 waagrecht aus, so dass die Zentrifugalkraft in Richtung der Wandlerelemente 2 gerichtet ist. Durch die auf das Backing-Material einwirkende Zentrifugalkraft dringt dieses in alle Bereiche des Wandlergehäuses 1 vor, so dass eine formschlüssige Verbindung insbesondere im Bereich des Gewindes 6 und in diesem Bereich auftretender Hinterschneidungen erreicht wird.

Die Rotation wird schließlich wieder beendet und die nächste Teilmenge in gleicher Weise in das Gehäuse 1 eingefüllt und zentrifugiert. Diese Verfahrensweise wird fortgesetzt, bis sämtliche Teilmengen in das Gehäuse 1 eingebracht wurden und die beabsichtigte Füllhöhe erreicht ist.

Fig. 2 zeigt eine photographische Darstellung durch ein Wandlergehäuse 2 wie das der Fig. 1, das gemäß dem vorliegenden Verfahren mit Backing-Material 4 gefüllt wurde. Aus der Figur ist sehr gut die homogene Füllung des Gehäuseinneren auch im Bereich des Gewindes 6 und der Hinterschneidung 5 zu erkennen.

Eine Ansicht einzelner Bereiche des Gewindes 6 sowie einer im vorderen Bereich des Gewindes 6 auftretenden Hinterschneidung 5a zeigen die Fig. 3a und 3b in vergrößerter photographischer Darstellung. Aus diesen vergrößerten Darstellungen ist die vollständige Füllung des Gewindebereiches 6 und der Hinterschneidung 5a ersichtlich. Diese optimale Füllung des Wandlergehäuses mit dem Backing-Material ist mit dem vorliegenden Verfahren trotz der hohen Viskosität des in diesem Beispiel eingesetzten Backing Materials reproduzierbar möglich. Die Prozessparameter, wie Umdrehungsgeschwindigkeit, Einspannlänge oder Füllhöhe lassen sich bei dem Verfahren exakt kontrollieren, so dass der Prozess bei der Fertigung verschiedenster Ultraschall-Wandler Anwendung finden kann.

Bezugszeichenliste

1

Wandlergehäuse

2

Wandlerelement

3

rückseitige Öffnung

4

Backing-Material

5

,

5

a Hinterschneidung

6

Gewinde

7

Rotationsvorrichtung

8

Motor

9

Schutzgitter

10

Drehachse

Claims

1. Verfahren zum Applizieren von Backing-Material bei der Herstellung von Ultraschall-Wandlern, die ein Gehäuse (1) mit einem vorderseitig angeordneten Wandlerelement (2) und einer rückseitigen Öffnung (3) aufweisen, bei dem das Backing-Material (4) durch die rückseitige Öffnung (3) in das Gehäuse (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) anschließend derart in einer Rotationsvorrichtung (7) zentrifugiert wird, dass das Backing-Material (4) mit einer gegen das vorderseitige Wandlerelement (2) gerichteten Zentrifugalkraft beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Backing-Material (4) in einzelnen Teilmengen in das Gehäuse (1) eingebracht wird, wobei das Gehäuse (1) nach dem Einbringen jeder Teilmenge für eine bestimmte Zeitdauer zentrifugiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Hinterschneidung (5, 5a) im Gehäuse (1) die einzelnen Teilmengen derart gewählt und eingebracht werden, dass die Hinterschneidung (5, 5a) durch eine der Teilmengen beim Zentrifugieren gerade abgedeckt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gehäuse (1) gleichzeitig mit Backing- Material (4) befüllt und in der Rotations vorrichtung (7) zentrifugiert werden.