DE102009046149A1

DE102009046149A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE102009046149A1
Application number: DE200910046149
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller; Gerhard Hueftle; Michael Horstbrink; Tobias Lang; Sami Radwan; Bernd Kuenzl; Roland Wanja
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium. Dabei wird mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (112) direkt oder indirekt mit mindestens einem Anpasskörper (116) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem fluiden Medium verbunden. Es wird ein Anpasskörper (116) verwendet, welcher mindestens ein poröses Polymermaterial (118) aufweist. Das Polymermaterial besteht zumindest teilweise aus mindestens einem thermoplastischen Polymer.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik und/oder im Automobilbereich eingesetzt werden, beispielsweise zur Volumenstrommessung, zur Massenstrommessung oder zur Geschwindigkeitsmessung von Fluiden. Typischerweise werden Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen in ein fluides Medium emittieren können als auch Ultraschallwellen aus dem fluiden Medium empfangen können. Beispiele von Ultraschallwandlern sind in DE 10 2007 010 500 A1 , in DE 42 30 773 C1 sowie in EP 0 766 071 A1 dargestellt. Die dort beschriebenen Ultraschallwandler können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden, so dass für mögliche Ausgestaltungen auf diese Druckschriften verwiesen werden kann.
Ein Problem vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch, zumindest bei gasförmigen Medien, in vergleichsweise geringen Ultraschall-Signalamplituden. Diese sind insbesondere dadurch bedingt, dass die von üblichen Ultraschallgebern, beispielsweise einer Piezokeramik, erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung in das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied, in der Regel ca. einen Faktor 6 × 10⁵, überwinden muss. Infolge dessen werden in der Regel näherungsweise 99,9995% der Schallenergie auf dem Weg von einer Piezokeramik in Luft an der entsprechenden Grenzfläche zurück reflektiert und sind für die Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflexionsverlust tritt nochmals beim zweiten, empfangenden Wandlerelement auf, welches auch mit dem ersten Wandlerelement identisch oder baugleich sein kann. Um die akustische Kopplung zwischen Wandlerelement und dem zu messenden fluiden Medium zu verbessern, werden daher üblicherweise Anpasskörper, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Anpassschichten, eingesetzt, welche eine Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem umgebenden fluiden Medium begünstigen. Bekannt sind beispielsweise Ultraschallwandler mit schallabstrahlenden Resonanz- oder Anpasskörpern, wie beispielsweise einer Metallmembran oder einer λ/4-Impedanzanpassschicht.
Ultraschallwandler, insbesondere in den genannten Einsatzgebieten, müssen in der Regel einer Vielzahl von Randbedingungen genügen. Diese Randbedingungen sind beispielsweise in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nummer DE 10 2008 055 116.3 aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben, auf welche teilweise auch im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen werden kann. So müssen Ultraschallwandler teilweise beispielsweise in einer Ansaugatmosphäre eines Kraftfahrzeugs einsetzbar sein, in welcher diese Umwelteinflüssen, einschließlich Feuchtigkeit, Öl, Staub, Kraftstoffen, Abgasanteilen und/oder weiteren Chemikalien ausgesetzt sind. Zusätzlich werden viele Ultraschallwandler in Bereichen eingesetzt, in welchen das fluide Medium unter hohem Druck steht, beispielsweise im Ansaugtrakt hinter Turboladern. Um eine derartige Medienresistenz und/oder Druckresistenz zu gewährleisten, sind aus dem Stand der Technik Ultraschallwandler bekannt, in welchen die schallabstrahlende Fläche bzw. schallaufnehmende Fläche integraler Bestandteil eines Wandlergehäuses und/oder eines Strömungsrohrs ist. Als Beispiel sind die oben genannten Druckschriften EP 0 766 071 A1 und DE 42 39 773 C1 zu nennen.
Eine weitere Anforderung an übliche Ultraschallwandler ist eine thermische Stabilität, da Ultraschallwandler in sehr großen Temperaturbereichen eingesetzt werden können. Dieser Anforderung muss vor allem durch eine geeignete Materialauswahl begegnet werden, wobei jedoch auch die oben beschriebene Einkapselung durch ein entsprechendes Gehäuse hilfreich ist. Allerdings gerät die aus dem Stand der Technik bekannte Einkapselung in ein Gehäuse in vielen Fällen in einen Zielkonflikt zu einer dritten Anforderung, welche gleichzeitig zur Medien/Druckresistenz und zur thermischen Stabilität zu erfüllen ist, nämlich die Anforderung bzgl. geeigneter akustischer Eigenschaften. Diese akustischen Eigenschaften ihrerseits sind unterteilt in zwei Anforderungen, nämlich die Anforderung, dass eine gute Kopplung der Ultraschallwellen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium erfolgen muss, zu welchem Zweck beispielsweise eine oder mehrere der oben beschriebenen Anpassschichten verwendet werden. Gleichzeitig sollte jedoch eine gute Entkopplung gegenüber Körperschallausbreitung gegeben sein, um beispielsweise das piezoelektrische Wandlerelement vor derartigen Körperschallausbreitungen, beispielsweise über ein Strömungsrohr oder Sensorgehäuse, zu schützen. Diese Körperschallausbreitungen können von externen Störquellen herrühren oder aber durch den gerade sendenden Ultraschallwandler verursacht werden und sich in dem gerade empfangenden Ultraschallwandler mit dem durch das fluide Medium übertragenen Schall überlagern und so zu Messfehlern führen. Ist jedoch die schallabstrahlende bzw. schallaufnehmende Fläche der Ultraschallwandler integraler Bestandteil des Wandlergehäuses und/oder des Strömungsrohrs, so ist eine derartige Entkopplung in der Regel nicht gegeben. Zur Körperschallentkopplung werden daher im Stand der Technik häufig Formteile oder Vergussbereiche aus Elastomermaterialien, Silikonmaterialien, Polyurethanmaterialien, flexibilisierten Epoxy-Materialien oder geschäumten Materialien eingesetzt. Diese Entkopplungsmaterialien werden in der Regel zwischen dem Ultraschallwandler und dem Strömungsrohr oder Sensorgehäuse eingebaut und sind ihrerseits den Medien direkt ausgesetzt. Von sich aus medien- bzw. feuchteresistentere Elastomere wie z. B. fluorierte Werkstoffe sind wiederum relativ hart und deshalb nur dann zur Entkopplung geeignet, wenn die Übergänge zwischen Entkopplungswerkstoff und Wandler bzw. Strömungsrohr bzw. Sensorgehäuse eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweisen wie z. B. bei einem O-Ring, der in erster Näherung einen linienförmigen und damit kleinen Übergangsbereich ermöglicht, wodurch relativ kurze Kriechpfade für agressive Medien ermöglicht werden. Derartige Einschränkungen bzgl. der Geometrie des Entkopplungselements führen zu einem unbefriedigenden Kompromiss bzgl. Entkopplungswirkung, Druckfestigkeit und Medienresistenz.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher Ultraschallwandler sowie Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern vorgeschlagen, welche den oben beschriebenen Zielkonflikt zumindest weitgehend lösen und sowohl medienresistente, druckresistente, thermisch stabile als auch akustisch geeignete Ultraschallwandler bereitstellen können. In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Unter einem Ultraschallwandler wird dabei allgemein ein Element verstanden, welches akustische Signale im Ultraschallbereich in ein fluides Medium emittieren bzw. akustische Signale aus dem fluiden Medium aufnehmen kann und in entsprechende elektrische Signale umwandeln kann. Diesbezüglich kann beispielsweise auf den oben dargestellten Stand der Technik verwiesen werden. Auch bezüglich des fluiden Mediums besteht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, wobei Gase und/oder Flüssigkeiten einsetzbar sind. Besonders bevorzugt ist die Verwendung in gasförmigen Medien, insbesondere in Luft, insbesondere in einem Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Insofern kann der Ultraschallwandler beispielsweise in einem Ultraschall-Durchflussmesser eingesetzt werden.
Bei dem Verfahren wird mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement direkt oder indirekt mit mindestens einem Anpasskörper zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium verbunden. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler, welche nach ferroelektrischen, elektrostatischen, magnetostriktiven, magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten können. Der Anpasskörper, welcher insbesondere eine oder mehrere Anpassschichten umfassen kann, weist eine akustische Impedanz auf, welche zwischen derjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements, beispielsweise eines Piezomaterials des piezoelektrischen Wandlerelements, und derjenigen des fluiden Mediums liegt. Vorzugsweise erfolgt durch den Anpasskörper eine Impedanzanpassung, wobei beispielsweise Membranen und/oder λ/4-Schichten eingesetzt werden können. Auch bezüglich der Anpassschichten und deren Funktion kann beispielsweise auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen werden.
Für eine optimale Impedanzanpassung müsste das Material oder die Materialkombination des Anpasskörpers, um die oben dargestellten akustischen Anforderungen optimal zu erfüllen, theoretisch eine Impedanz aufweisen, welche dem geometrischen Mittel der Impedanzen des piezoelektrischen Wandlerelements und des fluiden Mediums entspricht. Für den bevorzugten Einsatzzweck, nämlich die Verwendung von Luft als fluidem Medium, ergeben sich für typische Schallgeschwindigkeiten jedoch hieraus für die Dichte des Anpasskörpers bzw. des in dem Anpasskörper verwendeten Materials in vielen Fällen unrealistisch niedrige Werte, welche in der Regel zu wenig robusten Werkstoffen führen würden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen Anpasskörper zu verwenden, welcher mindestens einen porösen Körper eines Polymers aufweist. Das Polymer besteht dabei zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Polymer. Dies bedeutet, dass das Polymer neben anderen Polymeren oder anderen Komponenten mindestens ein thermoplastisches Polymer umfasst oder ganz aus mindestens einem thermoplastischen Polymer hergestellt ist.
Unter einem porösen Körper ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebig geformter poröser Körper zu verstehen, welcher mit einem Werkzeug herstellbar ist, beispielsweise einem Presswerkzeug und/oder einem Gieß- bzw. Spritzgießwerkzeug, insbesondere einem Werkzeug mit mindestens einem Formnest. Beispielsweise kann es sich dabei um einen im Wesentlichen zylindrisch geformten Körper handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Unter einem porösen Körper eines Polymers ist dabei ein poröser Körper zu verstehen, welcher mindestens ein Polymer umfasst und vorzugsweise ganz aus dem mindestens einen Polymer besteht.
Unter einem thermoplastischen Polymer ist dabei ein Polymer, insbesondere ein Kunststoffmaterial, zu verstehen, welches in die Klasse der Thermoplaste oder auch Plastomere einzuordnen ist. Es handelt sich also um ein Kunststoffmaterial, welches sich in einem bestimmten Temperaturbereich, beispielsweise oberhalb einer Übergangstemperatur, plastisch verformen lässt. Der Übergang von dem starren in den verformbaren Zustand, beispielsweise durch Erwärmung, ist dabei zumindest innerhalb gewisser Grenzen, reversibel, im Gegensatz beispielsweise zu Elastomeren oder Duroplasten.
Ein poröser Körper eines thermoplastischen Polymers lässt sich beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens herstellen. Beispielsweise wird in US 5,651,931 A ein Verfahren zur Herstellung eines biokompatiblen Filters beschrieben. Das dort beschriebene Verfahren lässt sich grundsätzlich auch zur Herstellung des porösen Körpers für den Anpasskörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzen.
Eine andere Möglichkeit, einen porösen Körper eines thermoplastischen Polymers herzustellen, besteht in der Anwendung von Gieß- oder Spritzgießprozessen. Um auch hierbei die gewünschte Porösität zu erzielen, kann beispielsweise nach herkömmlichen Herstellungsverfahren eine physikalische, chemische oder mechanische Schaumbildung vorgenommen werden und/oder ein syntaktischer Schaum erzeugt werden. Beispielsweise kann dem Polymermaterial vor, während oder nach dem Gieß- oder Spritzgießvorgang ein Treibmittel wie beispielsweise ein Gas und/oder ein Stoff, der letztendlich Gas freisetzen kann, zugeführt werden. Als Beispiel hierfür können bekannte Kunststoffschäumverfahren herangezogen werden, beispielsweise mikrozelluläre Schaumverfahren wie das aus der Kunststofftechnik bekannte, sogenannte MuCell^TM-Verfahren der Trexel Inc., USA, herangezogen werden. Eine synaktische Schaumbildung beruht letztendlich auf dem Zufügen von Mikroballons, die z. B. einen Glas- oder Kunststoff-Mantel umfassen können, der leer oder mit einem Gas gefüllt ist. Weitere Möglichkeiten zur Herstellung von porösen Körpern eines thermoplastischen Polymers beruhen auf chemischen Reaktionen, die vor der Erstarrung des Kunststoffs im Formnest Gasbläschen freisetzen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das thermoplastische Polymer mindestens ein hochtemperaturbeständiges thermoplastisches Polymer umfasst. Insbesondere kann mindestens ein thermoplastisches Polymer verwendet werden, welches eine maximale Gebrauchstemperatur von mindestens 150°C, insbesondere mindestens 180°C und besonders bevorzugt mindestens 200°C aufweist. Besonders bevorzugt ist daher die Verwendung hochwertiger thermoplastischer Polymere, welche für Hochtemperatur-Anwendungen entwickelt wurden. So ist es besonders bevorzugt, wenn das thermoplastische Polymer mindestens eines der folgenden thermoplastischen Polymere und/oder mindestens ein Derivat dieser thermoplastischen Polymere umfasst: ein Poly(etherketon) (PEK), insbesondere Poly(etheretherketon) (PEEK); ein Polymethylmethacrylat (PMMA); ein Poly(amidimid) (PAI); ein Flüssigkristall-Polymer (LCP); ein Poly(sulfon) (PSU), insbesondere ein Poly(ethersulfon) (PES); ein Polyphenylensulfid (PPS).
Durch Verwendung eines porösen Körpers kann eine Anpassschicht mit relativ niedriger akustischer Impedanz hergestellt werden. Die Impedanz kann durch die Porosität des Körpers stark und über einen weiten Bereich beeinflusst werden, so dass beispielsweise auch eine stufenweise Impedanzanpassung durch Verwendung mehrerer Körper unterschiedlicher Porosität, beispielsweise in einem Schichtaufbau möglich ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn der poröse Körper eine Dichte von 0,1 bis 1,0 g/cm³ aufweist, insbesondere von 0,2 bis 0,6 g/cm³ und besonders bevorzugt eine Dichte bei ca. 0,4 g/cm³ oder kleiner. Derartige Dichten und die damit verbundenen entsprechenden Porositäten bzw. Porenanteile haben sich für die Impedanzanpassung insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 500 kHz, beispielsweise im Bereich zwischen 250 kHz und 350 kHz, als besonders geeignet ergeben. Die Dicke des porösen Körpers kann für eine optimale Impedanzanpassung ungefähr als ¼ oder ¾ der in dem Material vorliegenden Ultraschallwellenlänge λ gewählt werden. Abhängig vom Messmedium, den umgebenden Geometrien und Materialien innerhalb des Ultraschallwandlers und Anforderungen bzgl. Temperaturgang oder spektraler Bandbreite erweisen sich meist nicht genau die genannten ¼ oder ¾ Lambda als optimale Dicke, so dass sich ein Bereich von ca. 0,2· bis 2·Lambda als prinzipiell geeignet zeigt. Einer Abnahme der Schallgeschwindigkeit mit steigender Temperatur und entsprechender Amplitudenabnahme kann z. B. z. T. durch eine etwas reduzierte Schichtdicke des Körpers entgegengewirkt werden und umgekehrt. Die Schallgeschwindigkeit im Material des Anpasskörpers kann typischerweise in einem Bereich von ca. 500 m/s bis ca. 3000 m/s liegen. Beispielsweise können poröse Körper verwendet werden, welche eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 1,5 und 2,5 mm, aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung von unterschiedlichen akustischen Impedanzen innerhalb des Anpasskörpers, ist es vorteilhaft, die einzelnen Bereiche mit jeweils unterschiedlichen Impedanzen deutlich abweichend von ¼ oder ¾ Lambda zu wählen, um durch den entsprechenden Impedanzgradienten bzw. den Schichtaufbau eine optimale Impedanzanpassung zu erzielen.
Bei porösen Körpern ergibt sich in vielen Fällen die technische Herausforderung, dass diese porösen Körper Medien aus der Umgebung aufnehmen. Diese Medienaufnahme, beispielsweise die Aufnahme flüssiger und/oder gasförmiger Medien, sowie gegebenenfalls eine Aufnahme von Verunreinigungen, kann jedoch zu Veränderungen der Eigenschaften der Anpasskörper führen. Insbesondere stellt sich diese Problematik, wenn das piezoelektrische Wandlerelement durch einen Klebeprozess mit dem Anpasskörper verbunden wird. In diesem Fall kann beispielsweise Klebstoff in die Poren des Anpasskörpers bzw. des porösen Körpers eindringen, was die Stabilität der Klebung beeinträchtigen kann. Andererseits können eindringende Stoffe den dichtereduzierten Bereich mit der entsprechend reduzierten akustischen Impedanz verkleinern, wodurch sich die effektiv wirkende Dicke des Anpasskörpers verändert und somit auch deren Resonanzfrequenz und infolgedessen die Übertragungscharakteristik des Ultraschallwandlers. Auch aus dem fluiden Medium können jedoch Bestandteile, beispielsweise Verunreinigungen, in den porösen Körper eintreten, was ebenfalls Einfluss auf die Eigenschaften dieses porösen Körpers haben kann. Zur Lösung dieser Herausforderung wird in einer optionalen Variante des vorgeschlagenen Verfahrens mindestens eine Abdichtung eingebracht bzw. aufgebracht, welche eingerichtet ist, um den porösen Körper zumindest teilweise abzudichten. Diese Abdichtung kann beispielsweise auf den porösen Körper oder den Anpasskörper aufgebracht werden und diesen zumindest teilweise bedecken. Auch eine unvollständige Bedeckung ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Abdichtung auch nicht unmittelbar auf den Anpasskörper, beispielsweise den porösen Körper, aufgebracht werden, sondern diesen lediglich indirekt abdichten, beispielsweise gegenüber dem fluiden Medium. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Membran verwendet werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann die Abdichtung auch eingerichtet sein, um neben dem porösen Körper weitere Elemente des Ultraschallwandlers zumindest teilweise abzudichten, beispielsweise eine Gehäuseöffnung, über welche der piezoelektrische Wandler Ultraschallsignale mit dem fluiden Medium austauschen kann. Auch eine Abdichtung von Entkoppelelementen, welche der akustischen Entkopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Gehäuse dienen können, kann erfolgen. Derartige Entkoppelelemente können beispielsweise eine Shore-A-Härte im Bereich von 10 bis 60 aufweisen, beispielsweise bei 25, sind jedoch in der Regel nicht oder nur schlecht medienresistent. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann auch eine Abdichtung eines Dämpfungselements erfolgen, welches die Schwingung des Piezos nach einer kurzen Anregung möglichst schnell zur Ruhe bringt, damit diese potentielle Körperschallquelle auf einen Zeitbereich weit genug vor dem Empfangssignal durch das Fluid beschränkt bleibt. Mittels der vorgeschlagenen Abdichtung kann also, zusätzlich zu dem porösen Körper, auch beispielsweise mindestens ein derartiges Entkopplungselement oder Dämpfungselement abgedichtet werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn auch diese Abdichtung zumindest teilweise aus mindestens einem thermoplastischen Polymer hergestellt ist beziehungsweise besteht. Bezüglich möglicher thermoplastischer Polymere kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden, wobei die oben genannten bevorzugten thermoplastischen Polymere in vorteilhafter Weise auch für die Abdichtung eingesetzt werden können. Auch eine andere Materialauswahl ist jedoch grundsätzlich möglich. Insbesondere ist es auch möglich, für die Abdichtung ein anderes thermoplastisches Polymer zu verwenden als für den porösen Körper.
Der poröse Körper und die Abdichtung können dabei getrennt hergestellt werden und beispielsweise getrennt vernetzt und/oder ausgehärtet werden. Anschließend können diese Bauelemente, wie unten noch näher ausgeführt wird, miteinander verbunden werden, beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren.
Die Abdichtung kann also auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Wie oben dargestellt, kann diese Abdichtung beispielsweise die Verklebungsproblematik zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem porösen Körper zumindest vermindern oder beseitigen. Zu diesem Zweck kann die Abdichtung beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass diese zumindest eine dem piezoelektrischen Wandlerelement zuweisende Seite des porösen Körpers bzw. des Anpasskörpers abdichtet. Alternativ oder zusätzlich können auch die oben beschriebene Kontaminationsproblematik, nach welcher der poröse Körper durch das fluide Medium kontaminiert werden kann, sowie die Anforderungen an die Druckdichtigkeit zumindest teilweise durch die Abdichtung gelöst werden. So kann, alternativ oder zusätzlich zu einer dem piezoelektrischen Wandlerelement zuweisenden Abdichtung, die Abdichtung alternativ oder zusätzlich auch eingerichtet sein, um zumindest eine dem fluiden Medium zuweisende Seite des porösen Körpers abzudichten. Die Abdichtung kann, wie oben angedeutet, auf verschiedene Weise ausgestaltet sein, wobei die Abdichtung auch unterschiedliche Arten von Abdichtungen kombiniert umfassen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn zur Herstellung der Abdichtung mindestens eine Beschichtung aufgebracht wird, beispielsweise direkt oder indirekt auf den porösen Körper und/oder andere der oben beschriebenen abzudichtenden Bereiche bzw. Elemente des Ultraschallwandlers. Dabei kann die Abdichtung beispielsweise zumindest eine Oberfläche des porösen Körpers zumindest teilweise bedecken. Auch eine vollständige Bedeckung bzw. Abdichtung dieser mindestens einen Oberfläche oder aller Oberflächen des porösen Körpers ist denkbar.
Die Abdichtung kann über den genannten Abdichtungszweck hinaus auch noch, alternativ oder zusätzlich, anderen Zielsetzungen dienen. So kann die Abdichtung beispielsweise eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirken, beispielsweise zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlerelements und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anpasskörpers. Beispielsweise kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des piezoelektrischen Wandlerelements typischerweise unterhalb von 10 ppm/K liegen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des porösen Körpers des Anpasskörpers kann beispielsweise bei mindestens 20 ppm/K oder darüber liegen. Die Abdichtung kann dementsprechend ein Material aufweisen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements und demjenigen des Anpasskörpers, insbesondere des porösen Körpers des Anpasskörpers, liegt. Vorzugsweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient der Abdichtung näher an demjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements als an demjenigen des Anpasskörpers. Weiterhin kann die Dicke der Abdichtung in der vom Anpasskörper zum piezoelektrischen Wandlerelement weisenden Richtung so gewählt werden, dass thermomechanische Alterungen des piezoelektrischen Wandlerelements auf ein gewünschtes Maß reduziert werden. Beispielsweise kann diese Dicke mindestens 0,5 mm betragen, vorzugsweise mindestens 1,0 mm und besonders bevorzugt mindestens 1,5 mm.
Die Beschichtung kann beispielsweise mindestens eine Polymerbeschichtung aufweisen. Derartige Polymerbeschichtungen zur Abdichtung von verschiedenartigen Elementen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Besonders bevorzugt ist es, wenn derartige Polymerbeschichtungen aus dem Vakuum aufgebracht werden, da, im Gegensatz beispielsweise zu einer Flüssigphasenabscheidung, in diesem Fall eine Kontamination des porösen Körpers vermieden werden kann. Auch lassen sich auf diese Weise besonders dichte Beschichtungen herstellen, welche den oben beschriebenen Abdichteffekt besonders günstig gewährleisten. Insbesondere lassen sich auf diese Weise beispielsweise Parylene aufbringen, so dass es besonders bevorzugt ist, wenn die mindestens eine Beschichtung eine Parylene-enthaltende Beschichtung ist und/oder vollständig aus Parylene hergestellt ist. Parylene sind inerte, hydrophobe polymere Beschichtungsmaterialien, welche in der Regel durch Kondensation aus der Gasphase als porenfreie Polymerfilme auf ein Substrat aufgetragen werden können. Allgemein ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn der optionale Polymerfilm, welcher die Beschichtung bildet oder Bestandteil der Beschichtung ist, porenfrei ausgestaltet ist. Beispielsweise Parylene lassen sich auf praktisch jedes Substratmaterial aufbringen. Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Parylene-Beschichtungen sind di-para-Xylylen oder halogenierte Substituenten dieses Materials. Diese können verdampft werden und beispielsweise durch eine Hochtemperaturzone geleitet werden. Dabei kann sich ein hochreaktives Monomer bilden, welches ein Diradikal ist und welches auf einer Oberfläche eines zu beschichtenden Gegenstands zu einem Polymer abreagieren kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Beschichtung kann die Abdichtung auch mindestens eine Folie umfassen. Insbesondere kann diese Folie wiederum, wie oben ausgeführt, mindestens ein thermoplastisches Polymer umfassen, insbesondere ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt sein. Dabei kann dasselbe thermoplastische Polymer verwendet werden wie für den porösen Körper oder auch ein ganz oder teilweise verschiedenes thermoplastisches Polymer. Auch ein mehrschichtiger Aufbau der Folie ist möglich, wobei auch eine Kombination von Schichten eines thermoplastischen Polymers mit anderen Materialien möglich ist. Wie oben dargestellt, kann diese Folie beispielsweise den porösen Körper ganz oder teilweise bedecken. Weiterhin kann die Folie auch zusätzliche Elemente des Ultraschallwandlers ganz oder teilweise mit bedecken oder abdichten. So kann beispielsweise mit der mindestens einen Folie eine Öffnung eines Gehäuses, welche dem fluiden Medium zuweist, abgedichtet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise auch eine Druckfestigkeit erzielt werden, insbesondere wenn durch eine Verengung oder einen zumindest teilweisen Verschluss des Sensorgehäuses auf der dem fluiden Medium abgewandten Seite dafür gesorgt wird, dass sich das Innere des Wandlers bei Druckbelastung in diesem Bereich abstützen kann, so dass die Folie bzw. die Verbindung zwischen Folie und Gehäuse oder zwischen Folie und Anpasskörper möglichst wenig belastet wird. Weiterhin kann mindestens ein Entkopplungselement oder mindestens ein Dämpfungselement durch eine derartige Folie und/oder auch durch eine Beschichtung mit geschützt werden, da derartige Entkopplungs- und/oder Dämpfungselemente, welche unten näher beschrieben werden, in der Regel wenig medienresistent sind. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Kunststofffolien.
Wie oben bereits mehrfach erwähnt, kann der Ultraschallwandler weiterhin mindestens ein Gehäuse umfassen. Zwischen dem Gehäuse und dem Anpasskörper und/oder dem piezoelektrischen Wandlerelement kann weiterhin mindestens ein Entkopplungselement eingebracht werden. Unter einem Entkopplungselement sind dabei allgemein Elemente zu verstehen, welche eingerichtet sind, um eine Körperschallübertragung zu dämpfen, in diesem Fall eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Anpasskörper und/oder dem piezoelektrischen Wandlerelement. Besonders bevorzugt ist es, wenn dieses Entkopplungselement, welches beispielsweise in Form eines Formlings und/oder einer Beschichtung und/oder einer Füllung in das Gehäuse eingebracht werden kann, relativ weich ausgestaltet ist. Beispielsweise kann das Entkopplungselement eine Shore-A-Härte von weniger als 60, vorzugsweise von weniger als 25 aufweisen. Beispielsweise lassen sich zu diesem Zweck Flüssigsilikone, andere Arten von Silikonen oder andere Arten von Elastomeren einsetzen. Da, wie oben beschrieben, viele der für das mindestens eine Entkopplungselement geeigneten Materialien eine in der Regel geringe Medienresistenz aufweisen, ist es, wenn ein Entkopplungselement verwendet wird, besonders bevorzugt, wenn die oben beschriebene optionale Abdichtung in diesem Fall derart aufgebracht wird, dass diese das Entkopplungselement zumindest teilweise gegenüber dem fluiden Medium abdichtet. Auf diese Weise lassen sich die oben beschriebenen Anforderungen hinsichtlich der akustischen Entkopplung und der Medienresistenz und/oder Druckresistenz besonders gut erfüllen.
Wird mindestens eine Abdichtung verwendet, so kann diese mindestens eine Abdichtung beispielsweise, wie oben ausgeführt, getrennt von dem Anpasskörper, insbesondere dem porösen Körper, hergestellt werden, so dass bei der Herstellung zunächst getrennte Bauelemente bereitgestellt werden. Beispielsweise können diese Bauelemente getrennt vernetzt und/oder ausgehärtet werden. Im Rahmen der Herstellung des Ultraschallwandlers können diese Bauelemente dann miteinander verbunden werden, wobei verschiedene Verbindungsverfahren, auch in Kombination, eingesetzt werden können. Besonders bevorzugt ist es, wenn wir die Abdichtung, insbesondere die Abdichtung mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, vorzugsweise die Folie, insbesondere die Folie mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, mit dem Anpasskörper, insbesondere dem porösen Körper, unter Verwendung mindestens eines stoffschlüssigen Verbindungsverfahrens verbunden wird. Beispielsweise kann eine direkte stoffschlüssige Verbindung einer thermoplastischen Folie mit dem Anpasskörper erfolgen. Beispielsweise können dabei eines oder mehrere der folgenden Verbindungsverfahren eingesetzt werden: eine stoffschlüssige Verbindung durch Anwendung von erhöhter Temperatur und/oder mechanischen Drucks; ein Schweißverfahren, insbesondere ein Laserschweißen; eine Bestrahlung mit Infrarotstrahlung; ein Andrücken mit einer beheizten Werkzeugfläche; eine Laminiertechnik. Die Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Abdichtung und dem Anpasskörper stellt einen besonderen Vorteil der Verwendung thermoplastischer Materialien dar, da sich bei thermoplastischen Materialien derartige stoffschlüssige Verbindungsverfahren besonders leicht realisieren lassen, im Gegensatz zu Elastomeren oder Duroplasten. Das Verfahren lässt sich hierdurch stark vereinfachen, und es kann eine hohe Kompatibilität der verwendeten Materialien, bei gleichzeitiger zuverlässiger Dichtwirkung, erzielt werden. Darüber hinaus kann bei der Verwendung von thermoplastischen Materialien auf zusätzliche Klebstoffe verzichtet werden, welche andernfalls in die Poren des porösen Körpers eindringen könnten, wodurch sich die Klebequalität verschlechtert und/oder die akustischen Eigenschaften des porösen Körpers sich verändern würden.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen wird weiterhin ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher insbesondere nach dem beschriebenen Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen Verfahrensvarianten herstellbar oder hergestellt ist. Insofern kann für mögliche Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Der Ultraschallwandler umfasst mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium. Weiterhin umfasst der Anpasskörper mindestens einen porösen Körper eines Polymers. Das Polymer besteht zumindest teilweise aus mindestens einem thermoplastischen Polymer. Diesbezüglich kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper mindestens eine Abdichtung eingebracht ist, wobei die Abdichtung eingerichtet ist, um ein Eindringen von Klebstoff in den Anpasskörper zumindest weit gehend zu verhindern. Bezüglich möglicher weiterer Ausgestaltungen kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung also, zur Lösung der oben beschriebenen Zielkonflikte zur Erfüllung der verschiedenen Anforderungen, Maßnahmen vor, welche einzeln oder auch in Kombination realisiert werden können und welche insgesamt, insbesondere in Zusammenwirkung, eine erhöhte Medien- und Druckresistenz, eine hohe thermische Stabilität und gute akustische Eigenschaften bereitstellen. Die erste, oben beschriebene Maßnahme, stellt die Verwendung eines porösen Körpers mindestens eines Polymers mit mindestens einem thermoplastischen Polymer in dem Anpasskörper, beispielsweise als Anpassschicht, dar.
Als zweite, alternativ oder in Kombination einsetzbare Maßnahme, wurde eine Abdichtung vorgeschlagen, welche gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Optionen ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann eine Abdichtungsschicht auf dem Anpasskörper auf der dem piezoelektrischen Wandler zugewandten Seite desselben angeordnet sein. Auch eine Anordnung an anderen Stellen ist jedoch grundsätzlich möglich. Eine Anordnung der Abdichtung zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektrischen Wandler ermöglicht jedoch eine größere Bandbreite hinsichtlich der Materialauswahl des Anpasskörper-Materials, wobei beispielsweise offenporiges Anpasskörpermaterial in der Weise abgedichtet werden kann, dass Klebstoff von der Verklebung mit dem piezoelektrischen Wandlerelement nicht oder nur geringfügig in das Anpasskörpermaterial versickern kann. Ein derartiges Versickern würde zu einer Verschlechterung der Klebung und geänderten akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers führen, was sich durch die vorgeschlagene Abdichtung vermeiden lassen kann.
Als dritte Maßnahme, welche wiederum alternativ oder zusätzlich zu den beiden vorhergehenden Maßnahmen eingesetzt werden kann, lässt sich eine gemeinsame Abdichtung über dem Anpasskörper und einem Entkopplungselement und/oder einem Dämpfungselement einsetzen. Diese Abdichtung kann beispielsweise als Abdichtungsschicht, als Abdichtungsfolie oder als Kombination von Abdichtungen ausgestaltet sein, wie oben beschrieben wurde. Beispielsweise kann eine gemeinsame Abdichtungsschicht über dem Anpasskörper und dem Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement hinweg verwendet werden, was wiederum eine höhere Breite hinsichtlich der Materialauswahl für den Anpasskörper, das Dämpfungselement und das optionale Entkopplungselement bedingen kann. Auf diese Weise können beispielsweise die akustischen und/oder thermischen Anforderungen, durch entsprechende Materialauswahl der einzelnen Elemente, optimal berücksichtigt werden. Derartige Materialien müssen in diesem Fall nicht notwendigerweise eine gute Medienresistenz aufweisen, da das fluide Medium vorzugsweise vollständig durch die Abdichtung von dem Anpasskörper und/oder dem Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement ferngehalten werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit einem Anpasskörper mit einer Beschichtung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Anpasskörper mit einer Beschichtung und mit einer Abdichtungsfolie; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einer Abdichtungsfolie zwischen einem piezoelektrischen Wandler und einem Anpassungskörper.
In den 1 bis 3 sind verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungen eines Ultraschallwandlers 110 dargestellt. Der Ultraschallwandler 110 ist dabei jeweils in Schnittdarstellung von der Seite in einer stark schematisierten Form gezeigt. Über die gezeigten Elemente hinaus kann der Ultraschallwandler 110 weitere, nicht dargestellte Elemente umfassen. Der Ultraschallwandler 110 umfasst in den drei Beispielen jeweils ein piezoelektrisches Wandlerelement 112, welches beispielsweise über Anschlusskontakte 114, welche in den Figuren lediglich angedeutet sind, elektrisch kontaktiert werden kann, um das piezoelektrische Wandlerelement 112 mit elektrischen Signalen zu beaufschlagen bzw. elektrische Signale des piezoelektrischen Wandlerelements 112 abzufragen.
Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler 110 in den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils einen Anpasskörper 116, beispielsweise einen aus einer oder mehreren Anpassschichten zusammengesetzten Anpasskörper 116. Dieser Anpasskörper 116 wird erfindungsgemäß unter Verwendung eines porösen Körpers 118 eines Polymers hergestellt. Das Polymer umfasst mindestens ein thermoplastisches Polymer und ist vorzugsweise vollständig aus diesem thermoplastischen Polymer hergestellt. Im Folgenden wird, ohne Beschränkung möglicher weiterer Ausgestaltungen des Polymers, angenommen, dass es sich bei dem thermoplastischen Polymer um Polyetheretherketon (PEEK) handelt. PEEK ist ein thermoplastisches Kunststoffmaterial mit einer Kristallitschmelztemperatur von 334°C und einer maximalen Gebrauchstemperatur von 250°C und weist die folgende Strukturformel auf:
Auch Derivate dieses Materials können eingesetzt werden, beispielsweise Derivate, bei welchen ein oder mehrere Wasserstoff-Atome des Polymers durch andere Reste ersetzt sind, beispielsweise andere Atome oder funktionelle Gruppen aliphatischer oder aromatischer Art.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass insbesondere die Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3, nämlich die Verwendung einer durchgehenden Abdichtungsfolie (2) und die Verwendung einer Abdichtungsfolie zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und den Anpasskörper 116, wie oben dargestellt, zwar insbesondere in Verbindung mit der Verwendung eines porösen Körpers 118 von Vorteil sind, jedoch grundsätzlich auch unabhängig von der Verwendung eines porösen Körpers 118 realisiert werden können. So können beispielsweise auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte und üblicherweise für die Anpasskörper 116 verwendete Materialien eingesetzt werden. Im Folgenden wird die Erfindung jedoch unter Bezugnahme auf einen porösen Körper 118 eines Polymers mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, insbesondere PEEK, beschrieben.
Weiterhin weisen die Ultraschallwandler 110 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 jeweils eine Abdichtung 120 auf. Diese Abdichtung 120 ist vorzugsweise ebenfalls ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt, beispielsweise wiederum PEEK. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren unterscheiden sich in der Ausgestaltung der Abdichtung 120. So umfasst die Abdichtung 120 in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 eine Beschichtung 122, welche hier als den Anpasskörper 116 vollständig umschließende Beschichtung 122 dargestellt ist. Auch eine unvollständige Beschichtung ist jedoch grundsätzlich möglich. Insbesondere ist die Beschichtung 122 in dem in den 1 und 2 dargestellten Fall auf einer dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 zuweisenden Oberfläche 124 des Anpasskörpers 116 aufgebracht. Wie oben dargestellt, kann diese Beschichtung 122 damit verhindern, dass Klebstoff einer Verklebung 126 zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 112 und Anpasskörper 116 ins Innere des Anpasskörpers 116 eindringt, was die Verklebung 126 in ihren Eigenschaften verschlechtern würde und/oder die akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers 116 beeinflussen könnte. Alternativ oder zusätzlich kann für die Klebung 126 ein spezieller Klebstoff verwendet werden, dessen Viskosität so hoch und/oder Aushärtezeit so kurz bemessen ist, dass möglichst wenig Klebstoff in den Anpasskörper eindringt. Dieser Klebstoff kann dann die Rolle der Abdichtung 120 übernehmen bzw. mit dieser zusammengefasst werden. Ein solcher spezieller Klebstoff kann z. B. ein UV-aushärtender Klebstoff sein, der durch Bestrahlung eine schnelle Voraushärtung oder vollständige Aushärtung erfährt und damit den Anpasskörper abdichtet und dann optional unter Wärmeeinfluss vollständig ausgehärtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Klebstoff heißthixotrop sein, d. h. während des gesamten Aushärte-Temperaturprofils eine ausreichend hohe Viskosität aufweisen, so dass der Klebstoff zwar die Poren des Ausgleichskörpers verschließt und abdichtet, aber nicht zu weit in den Ausgleichskörper hineinfließt.
Alternativ oder zusätzlich kann, wie ebenfalls in den 1 und 2 dargestellt, die Beschichtung 122 auch auf einer Oberfläche 128 angeordnet sein, welche im Betrieb des Ultraschallwandlers 110 dem fluiden Medium zuweist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kontamination des Anpasskörpers 116 aus dem fluiden Medium heraus vermindert oder verhindert werden.
Sämtliche Ultraschallwandler 110 können weiterhin ein Gehäuse 130 aufweisen. Dieses Gehäuse 130 ist dabei lediglich in den 2 und 3 ansatzweise dargestellt, in 1 hingegen weggelassen. Auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann jedoch naturgemäß ein Gehäuse 130 vorhanden sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, sowie optional auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen, kann weiterhin mindestens ein Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 vorgesehen sein, welches lediglich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gezeigt ist. Dieses Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 ist zwischen das Gehäuse 130 und den Anpasskörper 116 und/oder das piezoelektrische Wandlerelement 112 eingebracht und vermindert eine Körperschallübertragung von dem Gehäuse 130 auf das piezoelektrische Wandlerelement 112 bzw. den Anpasskörper 116. Beispielsweise kann dieses Entkopplungselement einen Verguss, einen Formkörper, eine Beschichtung oder eine Kombination der genannten Elemente und/oder anderer Elemente aufweisen. Beispielsweise kann das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 aus einem vergleichsweise weichen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Material mit einer Shore-A-Härte von 25 oder weniger. Beispielsweise kann das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 ein Polyurethan, ein Silikon, ein Flüssigsilikon oder Ähnliches umfassen. Weiterhin kann mindestens ein Dämpfungselement vorgesehen sein, welches den piezoelektrischen Wandler nach einer Schwingungsanregung möglichst schnell zur Ruhe bringt. Dieses kann beispielsweise ein Epoxy-Werkstoff, ein Polyurethan oder ein Silikon umfassen und kann weitere Stoffe enthalten wie z. B. gasförmige und/oder feste Füllstoffe.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Abdichtung 120, alternativ oder zusätzlich zur Beschichtung 122, weiterhin eine Folie 134. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Kunststoff-Folie mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, vorzugsweise um eine PEEK-Folie. Diese Folie 134 überspannt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine gesamte Öffnung 136 des Gehäuses 130, welche dem fluiden Medium zuweist. Somit deckt die Folie 134 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht nur den Anpasskörper 116 sondern auch das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 und/oder das Dämpfungselement vollständig oder teilweise ab. Wie oben dargestellt, können durch diese Abdichtung mittels der Folie 134 also auch nicht-medienresistente Materialien für das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 gewählt werden, bzw. die Anforderungen hinsichtlich der Medienresistenz für diese Materialien sinkt. Die Folie 134 kann beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Verfahren mit dem Anpasskörper 116 verbunden werden, beispielsweise durch ein Verkleben oder Verschweißen. Weiterhin kann die Folie 134 auch ganz oder teilweise mit weiteren Elementen verbunden werden, beispielsweise dem Gehäuse 130, beispielsweise wiederum durch ein stoffschlüssiges Verfahren.
Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers 110 deckt eine Folie 134 als Abdichtung 120 bzw. als Teil einer Abdichtung 120 die Öffnung 136 des Gehäuses 130 vollständig oder zumindest teilweise ab. In diesem Fall ist jedoch, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 2, das piezoelektrische Wandlerelement 112 durch die Folie 134 von dem Anpasskörper 116 getrennt. Auf diese Weise wird, wie oben dargestellt, vorzugsweise verhindert, dass Klebstoff der Verklebung 126 in den Anpasskörper 116 eindringen kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann der Anpasskörper 116, im Gegensatz zur unbeschichteten Darstellung gemäß 3, auch eine Beschichtung 122 aufweisen, beispielsweise analog zu den 1 und 2. Weiterhin kann, analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 2, weiterhin auch wiederum mindestens ein Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 in das Gehäuse 130 eingebracht werden. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere, wie oben dargestellt, in der Verwendung eines porösen Körpers 118 mit mindestens einem thermoplastischen Polymer. Optional können auch weitere Stoffe enthalten sein, die z. B. während des Herstellprozesses des Körpers erforderlich werden. Andererseits können derartige poröse Körper, je nach den eingesetzten Herstellparametern, vor allem in für Ultraschallanwendungen benötigten dichtereduzierten Varianten, so offenporig sein, dass Klebstoff so weit im Material versickern kann, dass entweder die Klebung eine geringere Festigkeit aufweist, oder aber die Poren des Anpasskörpers 116 sich soweit füllen würden, dass sich die akustische Impedanz zu stark verändert. Zu diesem Zweck können, wie oben dargestellt, die verschiedenen Varianten der Abdichtung 120, welche in den 1 bis 3 dargestellt sind, eingesetzt werden, so dass sich die Verwendung derartiger Abdichtungen 120 besonders gut mit porösen Körpern 118 kombinieren lässt. Auch ein Eindringen von Feuchtigkeit und/oder aggressiven Bestandteilen des fluiden Mediums, beispielsweise aus einer Ansaugatmosphäre eines Kraftfahrzeugs, ins Innere des Ultraschallwandlers 110 und/oder der angrenzenden Elektronik, lassen sich durch die Abdichtung 120 verhindern, beispielsweise durch die Abdichtungen gemäß den 2 und 3.
Zur Anwendung als akustische Impedanzanpassung einer Piezokeramik an Luft kann die Dichte des porösen Körpers 118 durch dessen Herstell- bzw. den Pressprozess gezielt eingestellt werden. Da sich die akustische Impedanz Z als Produkt aus der Schallgeschwindigkeit und der Dichte des Anpasskörper-Werkstoffs ergibt, lässt sich auf diese Weise auch die Impedanz über einen weiten Bereich einstellen. Für ebene, monospektrale Wellen würde eine Impedanz im geometrischen Mittel
zwischen der Impedanz des Materials des piezoelektrischen Wandlerelements 112 (Z_Piezo) und der Impedanz des fluiden Mediums (Z_Luft), hier Luft, eine optimale Energieübertragung ergeben, falls der Anpasskörper 116 die Dicke einer Viertel Wellenlänge (λ/4) der akustischen Wellen hat. Alternative Dicken für eine optimale Energieübertragung sind ungradzahlige Vielfache von λ/4, allerdings werden die entsprechenden Resonanzen spektral immer schmäler. Für relativ kurze, spektral breitbandigere Ultraschallpulse und realistische, dreidimensionale Abmessungen des piezoelektrischen Wandlerelements 112 und des Anpasskörpers 116 können jedoch der optimale Impedanzwert und die optimale Schichtdicke des Anpasskörpers 116 hinsichtlich Energieübertragung und Wandlerbandbreite abweichend von dieser Rechnung völlig anders zu wählen sein, insbesondere wenn eine zusätzliche Schutzschicht verwendet wird. Entsprechende Zielwerte lassen sich beispielsweise über Musteraufbauten mit herkömmlichen Epoxid-Glashohlkugel-Materialien, im Vergleich mit thermoplastischen Polymer-Varianten, empirisch ermitteln. Auch eine analytische oder semianalytische Bestimmung ist möglich, beispielsweise eine semianalytische Betrachtung wie in M. I. Haller et al.: 1–3 Composites for Ultrasonic Air Transducers, IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, 937 bis 939 aufgezeigt.
Für zylindrische piezoelektrische Wandlerelemente 112 mit den Abmessungen von beispielsweise 8 mm Durchmesser und 2 mm Dicke sowie einer Radial-Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 200 kHz zeigen sich beispielsweise dichtereduzierte Scheibchen als poröse Körper 118 mit einer Dichte von ca. 0,7 g/cm³ und einer Dicke von ca. 1,5 bis 2,5 mm (zumindest bei Schallgeschwindigkeiten um 2000 m/s) als vorteilhaft im Sinne eines Kompromisses zwischen akustischen Anforderungen und mechanischer Stabilität. Wird eine Piezokeramik auf einen porösen Körper 118 aufgeklebt, dann kann jedoch, wie oben dargestellt, der Klebstoff so weit in das Scheibchen einsickern, dass die Stabilität der Klebung ungenügend wird bzw. dass sich die akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers 116 zu stark verändern können. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der poröse Körper 118 und/oder der auf andere Weise ausgestaltete Anpasskörper 116 vor dem Verkleben mit der Beschichtung 122 versehen werden, beispielsweise einer Parylene-Beschichtung. Derartige Beschichtungen, welche vorzugsweise aus der Gasphase aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens (CVD: Chemical Vapor Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) sind dem Fachmann bekannt. Durch derartige Beschichtungen 122 als Teil von Abdichtungen 120 kann der Klebstoff einer Verklebung 126 an der Oberfläche des Anpasskörpers 116 gehalten werden.
Die Beschichtung 122, insbesondere die Parylene-Beschichtung, kann auch, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt, auf der dem fluiden Medium zugewandten Seite bzw. Oberfläche 128 des Anpasskörpers 116 eingesetzt werden, um diese gegenüber aggressiven Medien abzudichten. Eine derartige Beschichtung 122 bzw. Abdichtung 120 kann sich auch, wie beispielsweise in 2 dargestellt, über den Anpasskörper 116 hinaus erstrecken. So kann diese Beschichtung 122 bzw. Abdichtung 120 auch beispielsweise das piezoelektrische Wandlerelement 112 und/oder ein Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132, ganz oder teilweise mit abdecken und dadurch abdichten. Wie oben beschrieben, erfordert die Verwendung eines Entkopplungs- und/oder Dämpfungselements 132 für die meisten Anwendungen einen Kunststoff mit relativ geringen Shore-Härten, beispielsweise Shore-A-Härten im Bereich zwischen 25 und 30. Derartige Kunststoffe, beispielsweise Silikone, sind dann jedoch, wie oben dargestellt, zumeist wenig resistent gegenüber Wasser, Kraftstoffen oder anderen Bestandteilen einer Kraftfahrzeug-Ansaugatmosphäre. Die Folge kann beispielsweise eine Undichtigkeit, eine Quellung, eine Zersetzung oder eine Änderung der akustisch/mechanischen Eigenschaften sein. Fluorierte Silikone hingegen sind in vielen Fällen zu hart für eine effektive Entkopplung und meist nur als Formteile einsetzbar. Separate Formteile im Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 erhöhen jedoch in der Regel die Kosten und bedingen eine komplexere Fertigung, wodurch auch das Risiko entstehen kann, dass unerwünschte Medien an dem Formteil vorbeikriechen oder vorbeidiffundieren. Eine zusätzliche Abdichtung 120 in Form einer Beschichtung 122 und/oder einer Folie 134, wie beispielsweise in den 2 oder 3 dargestellt, ermöglicht hingegen den Einsatz wenig resistenter Entkopplungsmaterialien, die beispielsweise rein nach akustischen und/oder nach Fertigungsgesichtspunkten ausgewählt sein können. Der Begriff der Folie 134 ist in diesem Zusammenhang als Verallgemeinerung einer Beschichtung 122 zu sehen, so dass unter diesem Begriff beispielsweise freitragende Folien oder auch Beschichtungen 122 zu subsumieren sind, welche mehrere Bauelemente abdecken können.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Beschichtung 122 aus Parylene kann auch ein anderes Material verwendet werden. Auf diese Weise können, wie beispielsweise in 2 dargestellt, der Anpasskörper 116 und das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 gemeinsam abgedichtet werden. Besonders bevorzugt ist allgemein die Verwendung einer oder mehrerer Folien 134 aus mindestens einem thermoplastischen Material, beispielsweise PEEK, PMMA, PAI, LCP, PES, PSU, PPS oder Kombinationen der genannten und/oder anderer thermoplastischer Polymere.
Insbesondere die Kombination eines Anpasskörpers 116 mit einem porösen Körper aus mindestens einem thermoplastischen Polymer, beispielsweise PEEK, mit einer Folie 134, welche ebenfalls mindestens einen thermoplastischen Polymer, vorzugsweise dasselbe thermoplastische Polymer, aufweist, kann aufgrund der chemischen Ähnlichkeit und/oder ähnlicher thermischer und/oder thermomechanischer Eigenschaften besonders vorteilhaft sein. Die Folie 134 kann beispielsweise eine Dicke von mehr als 100 μm aufweisen. Auch andere Dicken sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Dicken von weniger als 50 μm, vorzugsweise höchstens 25 μm. Letztere dünne Folien 134 können sich als vorteilhaft erweisen, um eine akustische Impedanzanpassung nicht wieder zunichte zu machen. Soll die Folie 134, wie beispielsweise in 2 dargestellt, hingegen über den Anpasskörper 116 hinausragen und beispielsweise einen mit dem Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 und/oder luftgefüllten Entkopplungsspalt 138 zwischen dem Gehäuse 130 und Anpasskörper 116 bzw. dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 mit abdichten, dann sollte jedoch an dieser Stelle ebenfalls eine Folie 134 von vorzugsweise weniger als 25 μm eingesetzt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass über diese Folie 134 eine erhöhte Menge an Körperschall übertragen werden kann. Die Folie 134 kann beispielsweise selbstklebend ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch vorzugsweise auch ein anderes Verbindungsverfahren einsetzbar, beispielsweise ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren, wobei beispielsweise ausgenutzt werden kann, dass eine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen fertig hergestellten und ausgehärteten und/oder vernetzten thermoplastischen Elementen wie dem Anpasskörper 116 und der Folie 134 besonders einfach realisierbar ist. Beispielsweise kann eine stoffschlüssige Verbindung durch Anwendung von erhöhter Temperatur und/oder mechanischen Drucks, ein Schweißverfahren, insbesondere ein Laserschweißen, eine Bestrahlung mit Infrarotstrahlung, ein Andrücken mit einer beheizten Werkzeugfläche, eine Laminiertechnik oder eine Kombination der genannten und/oder anderer Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung realisiert werden. Besonders bevorzugt ist eine stoffschlüssige Verbindung ohne zusätzliche Verwendung eines Klebstoffes, da in diesem Fall ein Eindringen des Klebstoffes in den porösen Körper 118 vermieden werden kann.
Wie oben dargestellt, lässt sich die Verwendung einer Abdichtung 120, beispielsweise einer Folie 134 und/oder einer Beschichtung 122, grundsätzlich auch bei anderen Arten von Anpasskörpern 116 einsetzen als Anpasskörpern 116, welche poröse Körper 118 eines Thermoplasts einsetzen. So lassen sich derartige Abdichtungen 120 beispielsweise auch vorteilhaft bei Epoxid-Glashohlkugel-Anpasskörpern 120 einsetzen. Auch in diesem Fall können sich die Abdichtungen 120, wie beispielsweise in 2, auch über zusätzliche Elemente des Ultraschallwandlers 110, beispielsweise Entkopplungselemente 132, mit erstrecken.
Der Anpasskörper 120, insbesondere eine Anpassschicht, kann auch im unausgehärteten Zustand mit dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und/oder mit der Abdichtung 120, beispielsweise einer Folie 134, in Kontakt gebracht werden. Dabei kann die Abdichtung 120 bzw. die Folie 134 auch als „verlorene Form” oder als am Bauteil verbleibende Entformungshilfe für das Material des Anpasskörpers 116 dienen und im fertig aufgebauten Ultraschallwandler 110 das Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 mit abdecken. Auf diese Weise kann für ein medienresistentes Wandlerdesign gesorgt werden.
Die Abdichtung 120, beispielsweise die Beschichtung 122 und/oder die Folie 134, kann, alternativ oder zusätzlich zu den genannten Materialien auch andere Materialien umfassen. So können, alternativ oder zusätzlich, auch beispielsweise ein oder mehrere Lackschichten und/oder andere Arten von Kunststoffen und/oder Metalle, beispielsweise dünne Metallschichten, eingesetzt werden. Zwar erfolgt in der Regel die Abstrahlung des Ultraschalls in das fluide Medium (beispielsweise Luft) hinein bzw. die Einstrahlung des Ultraschalls aus diesem fluiden Medium in den Ultraschallwandler 110 hinein letztendlich durch die für die Dichtheit sorgende und sich in der Regel damit bewegende Abdichtung 120 hindurch. Diese Abdichtung 120 ist jedoch nicht selbst als Resonanzkörper oder Anpasskörper 116 zu verstehen, wie dies beispielsweise in Wandlern der Fall ist, die beispielsweise eine fest mit dem Gehäuse 130 und/oder einem Strömungsrohr verbundene Abstrahlschicht aufweisen, die eine Membranresonanz oder Dickenschwingung zur verbesserten Schalleinkopplung ausführt. Die Abdichtung 120 ist somit vorzugsweise vollständig als ein von dem Gehäuse 130 separat ausgestaltetes Bauelement ausgeführt. Verläuft die Abdichtung 120 zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und der dem Anpasskörper 116, wie dies beispielsweise in 3 der Fall ist, und erstreckt sich von dort aus über ein Entkopplungs- und/oder Dämpfungselement 132 hinweg, dann kann die abstrahlende Oberfläche des Anpasskörpers 116 beispielsweise besonders gut konturiert werden. So kann beispielsweise mittels Fasen die Abstrahlcharakteristik günstig beeinflusst werden. Eine an dieser Position angebrachte, elektrisch leitfähige und/oder leitfähig beschichtete Abdichtung 120 kann außerdem dazu verwendet werden, das piezoelektrische Wandlerelement 112 über eine Leitklebung und über die Abdichtung 120 mit einem metallischen Gehäuse 130 und/oder einer anderen Zuleitung elektrisch zu verbinden.
Das Gehäuse 130 kann grundsätzlich aus beliebigen, vorzugsweise harten Materialien hergestellt werden, beispielsweise Kunststoffen und/oder Metallen. Auch das Gehäuse 130 kann ganz oder teilweise von der Abdichtung 120 bedeckt sein. Falls der Ultraschallwandler 110, beispielsweise in Form des Gehäuses 130, metallische Materialien umfasst, so können diese ebenfalls durch die Abdichtung 120 auch in Richtung des fluiden Mediums, beispielsweise in Richtung der Luft, elektrisch isoliert werden, falls die Abdichtung 120 zumindest in diesem Bereich nicht leitfähig ist. Elektrisch leitfähige Gehäuse-Bestandteile und/oder eine elektrisch leitfähige Schutzschicht in der Abdichtung 120 können gleichzeitig als EMV-Maßnahme, das heißt zur elektromagnetischen Abschirmung, dienen.
Der Ultraschallwandler 110 kann außer dem Anpasskörper 116 und der Abdichtung 120, beispielsweise in Form der Folie 130 und/oder der Beschichtung 122, weitere Schichten enthalten. So können, alternativ oder zusätzlich, beispielsweise mindestens ein thermisch/mechanisches und/oder akustisch wirkendes Ausgleichs- oder Stabilisierungselement zwischen der Abdichtung 120, beispielsweise der Folie 134 und/oder der Beschichtung 122, und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 oder zwischen der Abdichtung 120 und dem Anpasskörper 116 vorgesehen sein. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, der Ultraschallwandler 110 auch mit einem zusätzlichen Dämpfungselement ausgestattet werden. Beispielsweise kann ein verbleibender Innenraum des Gehäuses 130 durch einen Vergussstoff und/oder ein angedrücktes Elastomer zumindest teilweise ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann der Ultraschallwandler beispielsweise rückseitig und/oder radial bedampft werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010500 A1 [0001]
DE 4230773 C1 [0001]
EP 0766071 A1 [0001, 0003]
DE 102008055116 [0003]
DE 4239773 C1 [0003]
US 5651931 A [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. I. Haller et al.: 1–3 Composites for Ultrasonic Air Transducers, IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, 937 bis 939 [0042]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium, wobei mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (112) direkt oder indirekt mit mindestens einem Anpasskörper (116) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem fluiden Medium verbunden wird, wobei ein Anpasskörper (116) verwendet wird, welcher mindestens einen porösen Körper (118) eines Polymers aufweist, wobei das Polymer zumindest teilweise aus mindestens einem thermoplastischen Polymer besteht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das thermoplastische Polymer mindestens eines der folgenden thermoplastischen Polymere oder mindestens ein Derivat der folgenden thermoplastischen Polymere umfasst: ein Poly(etheretherketon); ein Poly(etherketon); ein Polymethylmethacrylat; ein Poly(amidimid); ein Flüssigkristall-Polymer; ein Poly(ethersulfon); ein Poly(sulfon); ein Polyphenylensulfid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der poröse Körper (118) eine Dichte von 0,1 bis 1,0 g/cm³, insbesondere bei 0,4 g/cm³ oder kleiner, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der poröse Körper (118) eine Dicke aufweist, welche zumindest näherungsweise ¼ oder ¾ der Ultraschallwellenlänge in dem porösen Körper (118) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Abdichtung (120) aufgebracht wird, insbesondere eine Abdichtung (120) mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, wobei die Abdichtung (120) eingerichtet ist, um den porösen Körper (118) zumindest teilweise abzudichten.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abdichtung (120) zumindest eine dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) zuweisende Seite (124) des porösen Körpers (118) zumindest teilweise abdichtet.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtung (120) zumindest eine dem fluiden Medium zuweisende Seite (128) des porösen Körpers (118) zumindest teilweise abdichtet.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung der Abdichtung (120) mindestens eine Beschichtung (122) aufgebracht wird, wobei die Beschichtung (122) zumindest eine Oberfläche (124, 128) des porösen Körpers (118) mindestens teilweise bedeckt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beschichtung (122) mindestens eine Polymerbeschichtung aufweist, insbesondere eine im Vakuum aufgebrachte Beschichtung (122), insbesondere eine Paryleneenthaltende Beschichtung.
Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtung (120) mindestens eine Folie (134) umfasst, insbesondere mindestens eine Kunststofffolie, insbesondere mindestens eine Folie mit mindestens einem thermoplastischen Polymer.
Verfahren nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler (110) weiterhin mindestens ein Gehäuse (130) umfasst, wobei zwischen dem Gehäuse (130) und dem Anpasskörper (116) und/oder dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) mindestens ein Entkopplungselement (132) und/oder ein Dämpfungselement eingebracht wird, wobei das Entkopplungselement (132) und/oder das Dämpfungselement eingerichtet sind, um eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse (130) und dem Anpasskörper (116) und/oder piezoelektrischen Wandlerelement (112) zu dämpfen, wobei die Abdichtung (120) derart aufgebracht wird, dass diese das Entkopplungselement (132) und/oder das Dämpfungselement zumindest teilweise gegenüber dem fluiden Medium abdichtet.
Verfahren nach einem der sieben vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtung (120), insbesondere die mindestens eine Folie (134), mit dem Anpasskörper (116) über ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren verbunden wird, insbesondere durch eines oder mehrere der folgenden Verbindungsverfahren: eine stoffschlüssige Verbindung durch Anwendung von erhöhter Temperatur und/oder mechanischen Druck; ein Schweißverfahren, insbesondere ein Laserschweißen; eine Bestrahlung mit Infrarotstrahlung; ein Andrücken mit einer beheizten Werkzeugfläche; eine Laminiertechnik.
Ultraschallwandler (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium, insbesondere herstellbar nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (112) und mindestens einen Anpasskörper (116) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem fluiden Medium, wobei der Anpasskörper (116) mindestens einen porösen Körper (118) eines Polymers umfasst, wobei das Polymer zumindest teilweise aus mindestens einem thermoplastischen Polymer besteht.
Ultraschallwandler (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem Anpasskörper (116) mindestens eine Abdichtung (120) eingebracht ist, wobei die Abdichtung (120) eingerichtet ist, um ein Eindringen von Klebstoff in den Anpasskörper (116) zumindest weitgehend zu verhindern.