DE102012202074A1

DE102012202074A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers und Ultraschalltransducer

Info

Publication number: DE102012202074A1
Application number: DE201210202074
Authority: DE
Inventors: Thomas Meinhard Knoche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers sowie ein Ultraschalltransducer angegeben, wobei der Ultraschalltransducer einen Piezoaktuator und ein Resonatorelement aufweist, das Resonatorelement zur Eigenschwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich ausgestaltet ist, wobei Piezoaktuator und Resonatorelement reibschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers mit einem Piezoaktuator und einem Resonatorelement sowie einen entsprechenden Ultraschalltransducer.
Zur Erzeugung von hochintensivem Ultraschall werden elektromechanische Wandler, in der Regel Piezoelemente, genutzt. Dabei wird meist nicht ein einzelnes Piezoelement verbaut, sondern es werden mehrere Scheiben / Ringe übereinander geschichtet ("Stack"). Da die Schwingung des Piezoelementes nicht ausreicht, um die benötigten Schallintensitäten zu erzeugen, werden mit den Piezoelementen Strukturen, so genannte Resonatoren, so angeregt, dass sie in ihrer Resonanzfrequenz schwingen. Dadurch können höhere Schallintensitäten erzeugt werden.
Es ist bekannt, die Piezoelemente und Resonatoren zu verschrauben oder verkleben. Dabei erfolgt die Fügung und Schwingungseinkopplung typischerweise über die Stirnseite. Nachteilig an der Verschraubung ist der große Bauraum, den eine Schraube benötigt. Nachteilig an der Verklebung ist wiederum, dass die Klebeschicht zu einer Dämpfung der Schwingung führt und dadurch die Klebeschicht und damit der Transducer unerwünscht aufgeheizt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers und sowie einen Ultraschalltransducer anzugeben, die die oben genannten Nachteile vermeiden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine Lösung hinsichtlich des Aufbaus besteht in einem Ultraschalltransducer mit den Merkmalen von Anspruch 10. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers wird ein Piezoaktuator mit wenigstens einem Piezoelement bereitgestellt und ein Resonatorelement, ausgestaltet zur Eigenschwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich, das an den Piezoaktuator derart angefügt wird, dass das Resonatorelement mit einer Mantelfläche des Piezoaktuators reibschlüssig verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Ultraschalltransducer weist einen Piezoaktuator und ein Resonatorelement, das zur Eigenschwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich ausgestaltet ist, auf. Dabei sind Piezoaktuator und Resonatorelement reibschlüssig miteinander verbunden.
Der Piezoaktuator ist dabei ein für sich genommen bekanntes, auf dem inversen Piezoeffekt beruhendes Bauteil, bei dem eine elektrische Spannung eine Größenänderung bewirkt. Piezoaktuatoren werden häufig zur Vergrößerung der axialen Auslenkung, also der Größenänderung als Stapel, sog. Stack, von mehreren Piezoelementen aufgebaut. Die Verwendung eines solchen Stapels ist hier möglich. Zweckmäßig umfasst der Piezoaktuator aber nur ein einzelnes Piezoelement, da im Aufbau die radiale Größenänderung des Piezoaktuators verwendet wird anstelle der axialen Größenänderung.
Vorteilhaft wird also erfindungsgemäß eine reibschlüssige Verbindung zwischen den beiden Elementen geschaffen. Diese hat nicht den Nachteil eines erheblichen Patzbedarfs wie eine Schraubverbindung und vermeidet auch die oben genannten Nachteile der Klebeverbindung, also Dämpfung der Schwingung und Erwärmung der Klebeschicht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Verbindung die Mantelflächen anstelle der Stirnflächen des Piezoaktuators verwendet werden. Mit Stirnfläche sind dabei diejenigen Flächen gemeint, an denen die Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes vorgesehen sind.
Die reibschlüssige Verbindung kann dabei auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. So kann die reibschlüssige Verbindung mittels einer Pressung erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer thermischen Schrumpfpassung. Für beide Formen der Verbindung ist es zweckmäßig, wenn eines der Elemente wenigstens in Teilen ring- oder hohlzylinderförmig ausgestaltet ist und das andere Element beispielsweise als Scheibe.
So ist in einer Ausgestaltung der Erfindung der Piezoaktuator als zylinderförmige Scheibe ausgestaltet. Der Resonator weist wiederum einen hohlzylinderförmigen Abschnitt auf, in den der Piezoaktuator eingelegt werden kann. Nach dem Einlegen kann die Pressung erfolgen; alternativ wird der Resonator erhitzt, dann der Piezoaktuator eingelegt und danach der Resonator wieder abgekühlt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Piezoaktuator kegelstumpfförmig gestaltet. Der Resonator weist im Inneren des hohlzylindrischen Teils ebenfalls Abschrägungen auf, die denen des Piezoaktuators entsprechen.
Vorteilhaft sorgt die Pressung auf den innen liegenden Piezoaktuator für eine Druckvorspannung des Piezoaktuators. Dies führt zu einer Lebensdauerverlängerung des Piezoaktuators, da das Auftreten von dafür ungünstigen Zugspannungen verringert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Ultraschalltransducer ein Verschlußelement auf. Dieses ist derart ausgestaltet, dass bei einer Lösung der reibschlüssigen Verbindung zwischen Piezoaktuator und Resonatorelement ein Herausfallen des Piezoaktuators aus dem umschließenden Resonatorelement verhindert wird. Hierdurch wird die Zerstörung des Ultraschalltransducers beispielsweise. bei einer unbeabsichtigten Aufheizung und daraus folgender Lösung der thermisch erzeugten Verbindung verhindert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist ein Rand des Piezoaktuators mit einer Fase versehen. Dadurch wird vermieden, dass die Kaschierungsschicht des Piezoelementes an der Innenwand des Resonators anliegt und Kurzschlüsse verursacht.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Ultraschalltransducer unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigen
1 einen Schnitt durch einen Ultraschalltransducer mit zylindrischem Piezoaktuator und
2 einen Schnitt durch einen Ultraschalltransducer mit kegelstumpfförmigem Piezoaktuator.
1 zeigt einen Schnitt durch einen ersten Ultraschalltransducer 10. Der erste Ultraschalltransducer 10 weist einen ersten Resonator 1 auf. Der erste Resonator 1 ist metallisch und weist einen hohlzylindrischen Teil sowie einen kegelstumpfförmigen Teil auf. Im Bereich des hohlzylindrischen Teils ist reibschlüssig und unter Druckspannung ein erstes Piezoelement 2 angeordnet. Das erste Piezoelement 2 weist an einem seiner Ränder eine Fase 4 auf.
Weiterhin weist der erste Ultraschalltransducer 10 einen Verschlussring 5 auf. Dieser ist nach Einbringen des ersten Piezoelements 2 in den ersten Resonator 1 ebenfalls in den hohlzylindrischen Teil des ersten Resonators 1 eingebracht und fest mit diesem verbunden.
Zur Herstellung des ersten Ultraschalltransducers 10 wird der erste Resonator 1 erhitzt, um eine Ausdehnung zu bewirken.
Das erste Piezoelement 2, das geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des ersten Resonators 1 bei Raumtemperatur, wird dann in den hohlzylindrischen Teil des ersten Resonators 1 eingesetzt und der erste Resonator 1 wieder abgekühlt. Dadurch wird das erste Piezoelement 2 reibschlüssig und mit Druckspannung in den ersten Resonator 1 eingespannt.
Der Verschlussring 5 verhindert vorteilhaft, dass ein Lösen der reibschlüssigen Verbindung durch Aufheizung des ersten Ultraschalltransducers 10 zu einem Herausfallen des ersten Piezoelements 2 führen kann und somit zu einer Zerstörung des ersten Ultraschalltransducers 10.
2 zeigt einen zweiten Ultraschalltransducer 20. Dieser weist einen zweiten Resonator 21 auf. Dieser ist weitgehend gleichartig aufgebaut wie der erste Resonator 1. Allerdings weist er in seinem hohlzylindrischen Teil innen eine umlaufende abgeschrägte Nut auf. Ein zweiter Piezoaktuator 22 ist in diesem Fall nicht wir der erste Piezoaktuator 2 zylindrisch, sondern kegelstrumpfförmig. Nach dem Einbringen des zweiten Piezoaktuators 22 in den zweiten Resonator 21 sitzt der zweite Piezoaktuator 22 in der Nut des zweiten Resonators 21. Ein Verschlussring 5 ist in diesem Fall unnötig, da die Kegelstumpfform und die Nut bereits das Herausfallen des zweiten Piezoaktuators 22 verhindern.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschalltransducers (10, 20), bei dem – ein Piezoaktuator (2, 22) mit wenigstens einem Piezoelement bereitgestellt wird, – ein Resonatorelement (1, 21), ausgestaltet zur Eigenschwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich, an den Piezoaktuator (2, 22) derart angefügt wird, dass das Resonatorelement (1, 21) mit einer Mantelfläche des Piezoaktuators (2, 22) reibschlüssig verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die reibschlüssige Verbindung mittels einer Pressung erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die reibschlüssige Verbindung mittels einer thermischen Schrumpfung erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Piezoaktuator (2, 22) zylindrisch oder kegelstumpfförmig aufgebaut wird.
Verfahren gemäß Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Piezoaktuator (2, 22) ringförmig aufgebaut wird.
Ultraschalltransducer (10, 20) mit einem Piezoaktuator (2, 22) und einem Resonatorelement (1, 21), das zur Eigenschwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich ausgestaltet ist, wobei Piezoaktuator (2, 22) und Resonatorelement (1, 21) reibschlüssig miteinander verbunden sind.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß Anspruch 6, bei dem der Piezoaktuator (2, 22) zylindrisch oder kegelstumpfförmig ist.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß Anspruch 7, bei dem das Resonatorelement (1, 21) die Mantelfläche des Piezoaktuator (2, 22) reibschlüssig umschließt.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß Anspruch 6 oder 7 mit einem Verschlußelement (5), derart ausgestaltet, dass bei einer Lösung der reibschlüssigen Verbindung zwischen Piezoaktuator (2, 22) und Resonatorelement (1, 21) ein Herausfallen des Piezoaktuators (2, 22) aus dem umschließenden Resonatorelement (1, 21) verhindert wird.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß Anspruch 6, bei dem der Piezoaktuator (2, 22) ringförmig ist.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß Anspruch 10, bei dem der Piezoaktuator (2, 22) das Resonatorelement (1, 21) reibschlüssig umschließt.
Ultraschalltransducer (10, 20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem ein Rand des Piezoaktuators (2, 22) mit einer Fase (4) versehen ist.