DE102013101097A1

DE102013101097A1 - Verfahren zur Kontaktierung eines Ultraschallwandlers; Ultraschallwandlerkomponente mit kontaktiertem Ultraschallwandler zur Verwendung in einem Ultraschallprüfkopf; Ultraschallprüfkopf und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102013101097A1
Application number: DE201310101097
Authority: DE
Inventors: York Oberdörfer; Marek Parusel; Matthias Christoph Schulz
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-21
Also published as: WO2014118383A3; WO2014118383A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung eines Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall. Dabei wird ein Ultraschallwandler (10; 10‘; 10‘‘) bereitgestellt, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) aufgeteilt ist, wobei diese Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) als konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon ausgeformt sind, und mehrere Gruppen von Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) selektiv dergestalt auswählbar sind, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) jeweils eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) ergibt. Ferner wird eine Leiterplatte (20) bereitgestellt, auf welcher mehrere Leiterbahnen (21) verlaufen, die sich jeweils zwischen zwei Seiten (22; 23) der Leiterplatte (21) erstrecken. Zur Ausbildung eines Dämpfungskörpers wird die Leiterplatte (21) derart in diesen Dämpfungskörper (40) eingebracht, dass erste Enden (24; 24‘, ..., 24n) der Leiterbahnen (21) auf einer Seite (22) des Dämpfungskörpers (40) frei liegen, während zugehörige zweite Enden (25; 25‘, ..., 25n) auf einer anderen Seite (23) des Dämpfungskörpers (40) freiliegen. So kann der Ultraschallwandler (10; 10‘; 10‘‘) mit dem Dämpfungskörper (40) in einer Ausrichtung verbunden werden, in welcher die Leiterplatte (20) in einem Winkel α zur zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) verläuft, der ungleich 0° ist, und wird wenigstens ein Teil der ersten Enden (24; 24‘, ..., 24n) der Leiterbahnen (21) mit den Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) kontaktiert und wenigstens ein Teil der zweiten Enden (25; 25‘, ..., 25n) mit Mitteln zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) über die kontaktierten Leiterbahnen (21) kontaktiert.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kontaktierung eines Ultraschallwandlers zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall. Die Erfindung betrifft ferner eine Ultraschallwandlerkomponente zur Verwendung in einem Ultraschallprüfkopf, wobei der darin verbaute Ultraschallwandler mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontaktiert wurde. Ein zugehöriger Ultraschallprüfkopf und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mit einem solchen Prüfkopf sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Aus der Materialprüfung sind vielfältige Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall bekannt. Bei den Puls-Echo-Verfahren wird ein von einem als Sender fungierenden Ultraschallwandler erzeugter kurzer Ultraschallpuls auf geeignete Weise in einen Prüfling eingeschallt, so dass sich dieser im Prüfling ausbreitet. Trifft der Puls im Prüfling auf einen Fehler (z.B. eine Ungänze) oder auf eine geometrische Struktur, so wird der Puls hiervon zumindest teilweise reflektiert. Mittels eines Ultraschallwandlers wird der reflektierte Puls detektiert. Häufig wird ein Ultraschallwandler dabei sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt. Aus der Laufzeit zwischen dem Einschallen des Pulses in den Prüfling und dem Eintreffen des reflektierten Pulses beim Empfänger kann auf die Lage der Ungänze im Prüfling geschlossen werden. Die Amplitude des reflektierten Pulses kann herangezogen werden, um eine Information über die Größe der Ungänze zu erhalten.
Bei der genormten manuellen Ultraschallprüfung haben sich weltweit zwei Verfahren für die Größenbewertung einer Ungänze durchgesetzt, nämlich die Vergleichskörper-Methode (DAC-Methode – „distance-amplitude-correction“) und die AVG-Methode („Amplitude-Verstärkung-(Fehler) Größe“). Beide Verfahren sind zwar von der Anwendung her unterschiedlich, nicht aber bezüglich der ihnen zugrunde liegenden physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung und Schallreflexion. In beiden Verfahren ermittelt der Prüfer die Größe (Durchmesser) eines Modellreflektors (zylinderförmiger Reflektor bei der DAC-Methode, Kreisscheibe bei der AVG-Methode). Die so ermittelte Größe ist grundsätzlich nicht identisch mit der tatsächlichen Fehlergröße, sie wird daher als äquivalenter Kreisscheiben- bzw. Querbohrungsdurchmesser bezeichnet. Bei Verwendung von Kreisscheibenreflektoren hat sich die kürzere Bezeichnung „Ersatzreflektorgröße“ (ERG (dt.) bzw. ERS (engl.)) durchgesetzt. Dass die tatsächliche Fehlergröße nicht mit der Ersatzreflektorgröße übereinstimmt, liegt daran, dass die von einem natürlichen Fehler reflektierten Schallanteile zusätzlich durch die Form, Orientierung und Oberflächenbeschaffenheit des Fehlers beeinflusst werden. Da bei der manuellen Ultraschallprüfung weitergehende Untersuchungen hierzu schwierig und wenig praktikabel sind, werden in den meisten Spezifikationen und Richtlinien zur Ultraschallprüfung deshalb die Kriterien zur Registrierung von Fehlstellen an eine bestimmte Ersatzreflektorgröße geknüpft. Das bedeutet, dass der Prüfer in der Praxis ermittelt, ob eine aufgefundene Fehlstelle die Ersatzreflektorgröße erreicht oder überschreitet, die als Grenzwert (Registriergrenze) im Regelwerk angegeben wurde. Darüber hinaus muss er in der Regel weitere Untersuchungen durchführen, zum Beispiel zu Registrierlänge, Echodynamik usw.
Obwohl die genannten Puls-Echo-Verfahren seit vielen Jahren etablierte Verfahren im Bereich der Werkstoffprüfung sind, ist ihre Anwendung auf die Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke, z.B. bei dickwandigen Druck- oder Sicherheitsbehältern mit hoher Wandstärke, bis heute aufwendig. Dabei ergibt sich die Notwendigkeit, zur Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke bei der Prüfung von Raumbereichen, die einen hohen Abstand vom Einkoppelort aufweisen, d.h. zur Detektion tiefliegender Fehler, auf Prüfköpfe mit großem Wandlerdurchmesser D zurückzugreifen. Diese sind wiederum nicht zur Detektion oberflächennaher Defekte geeignet. In der Praxis wird daher bei der Prüfung von Prüflingen mit hoher Materialstärke wie z.B. Gussbehältern hoher Wandstärke oder langen Wellen stets eine Mehrzahl von verschiedenen Prüfköpfen verwendet. Hat man einen Fehler aufgefunden, so wird für eine quantitative Fehlerbestimmung gezielt ein Ultraschallprüfkopf ausgewählt, dessen Nahfeldlänge in etwa im Bereich des Abstands zwischen Einkoppelort und Fehlerposition liegt. Dies hat einerseits zur Folge, dass eine Vielzahl verschiedener Prüfköpfe vorgehalten werden muss, was den apparativen Aufwand erhöht, andererseits erhöht ein Prüfkopfwechsel den Prüfaufwand, was Kostennachteile verursacht.
Daher hat die Anmelderin für Prüflinge mit hoher Materialstärke ein Verfahren entwickelt, das in seiner einfachsten Ausprägung auf der Bereitstellung eines grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallprüfkopfes basiert, der einen Ultraschallwandler umfasst, der seinerseits in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist. Dabei bilden die Wandlersegmente konzentrische Kreise oder Ringe aus, oder stellen Abschnitte von konzentrischen Kreisen oder Ringen dar. Ein solcher Wandler wird im Stand der Technik als „annular array“ (engl.) oder als „Ring Array“ (dt.) bezeichnet.
Für das verbesserte Verfahren wird wenigstens eine Gruppe von Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers dergestalt parallel angesteuert, dass sich eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers ergibt, die als Ultraschallsender und -empfänger fungieren kann. Mit diesem kreisförmigen „effektiven“ Ultraschallwandler wird dann eine Ultraschallprüfung des Prüflings durchgeführt. Die Prüfung kann z.B. nach den aus dem Stand der Technik vorbekannten Puls-Echo-Verfahren durchgeführt werden.
Dieses Verfahren erlaubt es, das von einem Ultraschallprüfkopf mit Ring Array erzeugte Schallfeld zu steuern und damit an die konkrete Prüfaufgabe anzupassen, indem der Durchmesser der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers gesteuert wird. Unter der aktiven Fläche wird dabei die Fläche des Ultraschallwandlers verstanden, die bei einer Ansteuerung des Wandlers als Sender an der Ultraschallerzeugung, bzw. bei einer Ansteuerung des Wandlers als Empfänger an der Signalerzeugung beteiligt ist. Dabei wird gezielt nur eine Teilmenge der Wandlerelemente angesteuert, wobei die Ansteuerung phasenstarr, insbesondere ohne Phasenverschiebung zwischen den Wandlerelementen, erfolgt. Die Strahlsteuerung erfolgt demnach über die Änderung des Durchmessers der aktiven Fläche des Ultraschallwandlers. Das Verfahren erlaubt es daher, mit nur einem Ultraschallprüfkopf genormte Prüfverfahren wie z.B. gemäß der EN 583-2, die keine Verwendung von Phased-Array-Prüfköpfen vorsehen, auch an Prüflingen hoher Materialstärke durchzuführen, bei denen bislang auf eine Mehrzahl von unterschiedlichen Ultraschallprüfköpfen zurückgegriffen werden musste.
Folglich erfordert das Verfahren die gezielte Ansteuerung von einzelnen Wandlerelementen eines Prüfkopfes, so dass diese auch einzeln kontaktiert werden müssen, um parallel angesteuert werden zu können. Bei der Kontaktierung einzelner Wandlersegmente ist es beispielsweise im Bereich der linearen Prüfköpfe bekannt, eine flexible Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) in Form einer Folie einzusetzen, wobei diese PCB-Folie parallel zu der zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers verläuft. Auf der Folie sind die erforderlichen Leiterbahnen aufgebracht und an den entsprechenden Stellen mit dem segmentierten Ultraschallwandler kontaktiert.
Ferner ist es beispielsweise bei Prüfköpfen mit 2D-Arrays bekannt, eine Leiterplatte in Form einer flexiblen PCB-Folie senkrecht mit den einzelnen Wandlerelementen zu kontaktieren. Dabei sind mehreren Folien mit Leiterbahnen vorgesehen, die durch einzelne rückseitige Dämpfungskörper gleicher Dicke voneinander getrennt sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kontaktierung eines segmentierten Ultraschallwandlers bereitzustellen, wobei die einzelnen Wandlersegmente des Ultraschallwandlers so mit Leiterbahnen einer Leiterplatte kontaktiert werden, dass sie selektiv und parallel ansteuerbar sind. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine zugehörige Ultraschallwandlerkomponente zur Verwendung in einem Ultraschallprüfkopf bereitzustellen, wobei der darin verbaute Ultraschallwandler mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontaktiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–13. Ferner wird die Aufgabe durch eine Ultraschallwandlerkomponente gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform dieser Komponente ergibt sich aus Anspruch 15. Anspruch 16 beansprucht einen zugehörigen Ultraschallprüfkopf, während Anspruch 17 eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung mit einem solchen Prüfkopf beansprucht.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Kontaktierung eines Ultraschallwandlers zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall und umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Ultraschallwandlers, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist,
b) Bereitstellen einer Leiterplatte, auf welcher mehrere Leiterbahnen verlaufen;
c) Ausbilden eines Dämpfungskörpers, in welchen die Leiterplatte derart eingebracht ist, dass erste Enden der Leiterbahnen auf einer Seite des Dämpfungskörpers frei liegen, während zugehörige zweite Enden auf einer anderen Seite des Dämpfungskörpers freiliegen;
d) Verbinden des Ultraschallwandlers mit dem Dämpfungskörper in einer Ausrichtung, in welcher die Leiterplatte in einem Winkel α zur zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers verläuft, der ungleich 0° ist, und dabei
e) Kontaktieren von wenigstens einem Teil der ersten Enden der Leiterbahnen mit den Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers und Kontaktieren von wenigstens einem Teil der zweiten Enden mit Mitteln zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers über die kontaktierten Leiterbahnen.

Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn die Wandlersegmente als konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon ausgeformt sind, und mehrere Gruppen von Wandlersegmenten selektiv dergestalt auswählbar sind, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente jeweils eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers ergibt.
In alternativen Ausgestaltungen weisen die einzelnen Wandlersegmente eine andere Geometrie und/oder Anordnung in Form eines Arrays auf. Insbesondere vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren auch im Zusammenhang mit der Kontaktierung von Wandler-Arrays vom Typ „Sparse-Array“, die gemäß vorgegebener statistischer Gesetzmäßigkeiten in einer Fläche angeordnete einzeln ansteuerbare Wandlersegmente aufweisen. Die statistische Gesetzmäßigkeit berücksichtigt die Mechanismen der Bilderzeugung und erlaubt es, die Zahl von einzeln ansteuerbaren Sende- bzw. Empfangs-Wandlersegmenten in einem Ultraschallarray zu reduzieren, ohne dass ein relevanter Qualitätsverlust im erzeugten Bild auftritt. Sparse-Arrayse können z.B. aus regelmäßig geformten (z.B. rechteckigen) Wandlersegmenten aufgebaut sein, die beispielsweise Teil eines regelmäßig geformten (z.B. rechteckigen) 2d-Arrays sein können, wobei nur eine (gemäß der vorgenannten statistischen Gesetzmäßigkeit ausgewählte) Teilmenge der vom Array umfassten Wandlersegmente tatsächlich für eine Schallerzeugung oder Echodetektion verwendet wird.
Auf die erfindungsgemäße Weise können die einzelnen Segmente eines segmentierten Ultraschallwandlers auf einfache Art kontaktiert werden, wobei die in einem Winkel ungleich Null zum Wandler stehende Leiterplatte und damit auch die entsprechend verlaufenden Leiterbahnen verschiedene Vorteile mit sich bringen. Die Leiterplatte verläuft dabei zur kontaktierten Oberfläche des Ultraschallwandlers vorzugsweise in einem Winkel α, der größer als 0° ist und bis zu 90° beträgt. Dabei liegt der Winkel vorzugsweise zwischen 45 und 90°, insbesondere bei etwa 90°, so dass die Leiterplatte und damit auch die Leiterbahnen im Kontaktbereich im Wesentlichen senkrecht zum Ultraschallwandler stehen.
Bei einer Lösung, bei welcher Leiterbahnen auf eine parallel zur zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers angeordneten Leiterplatte angebracht sind, müssen diese eine spezielle Anordnung haben, damit jedes Wandlersegment erreicht und kontaktiert werden kann. Diese Anordnung ist baumförmig mit einer Vielzahl von Verästelungen und ihre Komplexität nimmt mit zunehmender Anzahl der zu kontaktierenden Wandlersegmente stark zu. Dies bedingt, dass eine solche Leiterplatte oder PCB-Folie nur für einen bestimmten Wandlertyp einsetzbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch für verschiedenste Wandlertypen eine Einheits-Leiterplatte beispielsweise mit parallelen und sogar äquidistanten Leiterbahnen verwenden. Eine derartige Leiterplatte kann einfach gefertigt werden und die Anpassung an verschiedene Wandlertypen erfolgt nicht über eine Veränderung des Verlaufs der Leiterbahnen auf der Leiterplatte, sondern über eine angepasste Anordnung der ansonsten unveränderten Leiterplatte gegenüber dem Ultraschallwandler. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfachere Kontaktierung mit weniger Fertigungs- und Kostenaufwand.
Die Leiterplatte kann flach und gerade sein, wenn dadurch alle Segmente mit den Leiterbahnen erreicht werden können. Sie kann jedoch beispielsweise auch gebogen, geknickt, gewellt oder auch spiralförmig sein, um die zu kontaktierenden Enden der Leiterbahnen an die gewünschten Stellen auf dem Wandler zu führen. Insbesondere eine spiralförmig aufgewickelte Leiterplatte hat sich als vorteilhaft erwiesen, um mit ihr quasi der kreisförmigen Struktur des Ultraschallwandlers zu entsprechen und zu folgen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte daher quer zu den Leiterbahnen spiralförmig aufgewickelt, wobei zwischen den Leiterbahnen kein Kontakt besteht. Dabei steht die Leiterplatte vorzugsweise senkrecht zum Ultraschallwandler, so dass auch die Leiterbahnen senkrecht auf die Wandlersegmente zulaufen und die freien Enden der Leiterbahnen auf einer spiralförmigen Linie angeordnet sind.
Bei unterschiedlichen Segmentierungen eines zu kontaktierenden Ultraschallwandlers kann dabei stets die gleiche Leiterplatte verwendet werden, wobei lediglich der Verlauf der Leiterplatte und/oder die Auswahl der Leiterbahnen, welche wirklich kontaktiert werden, angepasst werden muss. Auf der Leiterplatte können die Leiterbahnen dann unabhängig von dem zu kontaktierenden Wandlertyp angeordnet werden.
Ferner bringen parallel zur Oberfläche des segmentierten Ultraschallwandlers angeordnete Leiterplatten den Nachteil mit sich, dass diese akustisch eine zusätzliche Grenzfläche darstellen, die zu einer Quelle für unerwünschtes Rauschen werden kann. Die Anbringung der Leiterplatte in einem Winkel zur Oberfläche des segmentierten Ultraschallwandlers und insbesondere in einem Winkel von etwa 90° vermeidet eine solche Grenzfläche, so dass sich das Rauschen gegenüber den genannten parallelen Lösungen reduziert.
Die Leiterplatte ist dabei in einen Dämpfungskörper eingebracht, der typischerweise auf der Rückseite eines Ultraschallwandlers positioniert wird, während auf der anderen Seite ein Vorlaufkörper angebracht wird, durch den der Wandler senden und empfangen kann. Die Kontaktierung ist so durch den Dämpfungskörper gut vor Beschädigungen und Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, etc. geschützt.
Vorzugsweise liegen die ersten Enden und die zweiten Enden der Leiterbahnen auf gegenüber liegenden Seiten des Dämpfungskörpers. Auf diese Weise lassen sich die zweiten Enden auf der Rückseite des Dämpfungskörpers gut mit einer Ansteuereinheit in Verbindung bringen. Die zweiten Enden können jedoch auch an beliebiger anderer Stelle aus der Leiterplatte austreten, wenn dies für eine Kontaktierung oder aus anderen Gründen zweckmäßig ist.
Der Dämpfungskörper mit der darin eingebrachten Leiterplatte kann auf unterschiedliche Arten ausgebildet werden, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, die Leiterplatte mit dem Material des Dämpfungskörpers zu umgießen, wodurch die Leiterplatte in den Dämpfungskörper eingebettet wird. Hierdurch ist die Leiterplatte fest und luftdicht in den Dämpfungskörper eingebettet, wobei die Form der Leiterplatte vor dem Gießen bis zu einem gewissen Grad variabel sein kann, da Ungenauigkeiten von dem eingegossenen Material des Dämpfungskörpers ausgeglichen werden können.
Möglich wäre es auch, einen Dämpfungskörper vorzufertigen, in dem eine Aussparung derartig eingebracht und ausgeformt ist, dass die Leiterplatte anschließend in einem bestimmten Verlauf in diese Aussparung eingebracht werden kann. Dabei kann der Dämpfungskörper auch aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestehen, wobei eine einstückige Ausführung bevorzugt ist.
Um die Kontaktierung der Leiterbahnen mit dem Ultraschallwandler zu verbessern, kann die Seite des Dämpfungskörpers mit den frei liegenden ersten Enden der Leiterbahnen nach Ausbildung des Dämpfungskörpers mit einer leitenden Schicht versehen werden, die anschließend bereichsweise wieder entfernt wird. Hierdurch stehen die freien ersten Enden der Leiterbahnen in Kontakt mit nicht entferntem leitenden Material, über welches die Wandlersegmente kontaktiert werden. Diese leitende Schicht hat bei einer entsprechenden Strukturierung den Vorteil, dass die Kontaktfläche der Leiterbahnen vergrößert werden kann und/oder Leiterbahnen auch parallel zur Oberfläche des Ultraschallwandlers verlängert werden können, falls dies für das Erreichen eines Wandlersegments erforderlich ist.
Die Leiterplatte kann unterschiedlich ausgeformt sein, wobei sie insbesondere starr oder flexibel sein kann. Eine flexible Leiterplatte kann gut in einen bestimmten Verlauf gebracht werden, bevor sie im Verfahrensschritt c) in den Dämpfungskörper eingebracht wird. So kann eine flexible Einheits-Leiterplatte in verschiedenste Formen gebracht werden. Eine starre Leiterplatte hat dagegen insbesondere den Vorteil, dass sie bis zur Einbringung in den Dämpfungskörper formstabiler und weniger empfindlich gegenüber Verschiebungen/Verformungen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte quer zu den Leiterbahnen spiralförmig aufgewickelt, wobei zwischen den Leiterbahnen kein Kontakt besteht, um Kurzschlüsse zu verhindern. Bei einer starren Leiterplatte kann diese Spiralform beispielsweise in einem vorgeschalteten Fertigungsschritt erzeugt werden, so dass die Leiterplatte bereits spiralförmig ist, bevor sie in den Dämpfungskörper eingebracht wird. Bei einer flexiblen Leiterplatte kann dagegen vorgesehen sein, diese erst kurz vor der Einbringung in den Dämpfungskörper in die gewünschte Spiralform zu bringen.
Für die Einbettung der Leiterplatte in einen Dämpfungskörper kann diese vor dem Verfahrensschritt c) in eine Gießform eingebracht werden, welche mit dem Material des Dämpfungskörpers wenigstens teilweise befüllt wird. Hierbei kommen die bereits erwähnten Vorteile des Umgießens der Leiterplatte zum Tragen, wobei die äußere Form des anschließenden Dämpfungskörpers durch die Gießform bestimmt wird.
Um eine flexible Leiterplatte in einen gewünschten Verlauf zu bringen und/oder eine starre Leiterplatte in einem einmal erreichten Verlauf zu halten, kann ein Formkörper mit einer formgebenden Aufnahme bereitgestellt werden. Die Leiterplatte kann dann vor dem Verfahrensschritt c) in diese Aufnahme eingebracht werden, welche den Verlauf der Leiterplatte vorgibt und die Leiterplatte darin hält. Beispielsweise kann die formgebende Aufnahme eine Nut auf einer Fläche des Formkörpers sein, in welche die Leiterplatte vor dem Verfahrensschritt c) teilweise mit einer Seite eingebracht wird, auf welche die Leiterbahnen zulaufen. Ein Teil der Leiterplatte befindet sich somit in der Nut, welche die Leiterplatte in einen bestimmten Verlauf zwingt und auch darin hält. Beispielsweise für eine spiralförmige Leiterplatte ist folglich auch die formgebende Aufnahme spiralförmig. Der größere Teil der Leiterplatte ragt jedoch aus der Nut heraus und kann vom Material des Dämpfungskörpers umgossen werden.
Die Leiterplatte kann dann zusammen mit dem Formkörper vor dem Verfahrensschritt c) in die Gießform eingebracht werden, welche mit dem Material des Dämpfungskörpers wenigstens teilweise befüllt wird.
Wenigstens der Formkörper zusammen mit dem darin eingebrachten Teil der Leiterplatte wird dann vorzugsweise nach dem Umgießen der Leiterplatte mit dem Material des Dämpfungskörpers so weit entfernt, dass erste Enden der Leiterbahnen auf dieser Seite wieder frei liegen. Diese Abtrennung kann beispielsweise durch Fräsen erfolgen. Der Formkörper dient somit lediglich zur Fixierung der Leiterplatte, wird aber vorzugsweise nicht Teil des Dämpfungskörpers. Als Materialien für den Formkörper haben sich solche Materialien als vorteilhaft erwiesen, die sich leicht bearbeiten lassen, also insbesondere Kunststoffe wie PVC o.ä..
Der Dämpfungskörper besteht typischerweise aus einem Materialmix aus Epoxidharz und Füllstoffen. Der Materialmix wird derart gewählt, dass die akustische Impedanz auf die des Schwingers angepasst ist. Dabei kann die Impedanz durch Art und Menge der Füllstoffe eingestellt werden, wobei als Füllstoffe z. B. feinkörnige Pulver wie Aluminiumoxid, Bleioxid bzw. körnigere Materialien wie z.B. Silikon oder Gummiabrieb verwendet werden. Zusätzlich wird mit den Füllstoffen sowohl die Absorption als auch die Schallstreuung optimiert. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Materialmixes ist, dass man ihn relativ leicht mechanisch bearbeiten und in Form bringen kann.
Mit dem Verlauf der Leiterplatte und den darauf befindlichen Leiterbahnen kann erreicht werden, dass zu jedem Wandlersegment wenigstens eine Leiterbahn führt, die auf der anderen Seite mit der Ansteuereinheit verbunden werden kann. Insbesondere bei der Verwendung von stark vereinheitlichten Leiterplatten, die für mehrere Arten von Wandlern verwendbar sein sollen, kann es jedoch passieren, dass eine Leiterbahn an der Grenzlinie von zwei Wandlern endet, so dass sie gleichzeitig elektrischen Kontakt zu zwei Wandlersegmenten hätte. Ferner können mehrere Leiterbahnen im Bereich eines einzigen Wandlersegmentes enden, wenn dieses beispielsweise sehr groß ist. Würden alle diese Leiterbahnen kontaktiert, würde dies zu Kurzschlüssen führen, die verhindert werden müssen. Daher kann vorgesehen sein, dass nicht alle ersten freien Enden der Leiterbahnen mit Wandlersegmenten kontaktiert werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass selbst bei der Kontaktierung eines ersten freien Endes einer Leiterbahn das zugehörige andere Ende nicht an die Ansteuereinheit angeschlossen ist. Es können somit genutzte und ungenutzte Leiterbahnen vorhanden sein.
Von der Erfindung umfasst ist ferner eine Ultraschallwandlerkomponente für einen Ultraschallprüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, umfassend wenigstens die folgenden Komponenten:

– ein Ultraschallwandler, der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten aufgeteilt ist;
– ein Dämpfungskörper in Verbindung mit dem Ultraschallwandler, in welchen eine Leiterplatte mit mehreren Leiterbahnen derart eingebracht ist, dass erste Enden der Leiterbahnen auf einer Seite des Dämpfungskörpers mit den Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers kontaktiert sind, während zugehörige zweite Enden auf einer anderen Seite des Dämpfungskörpers mit Mitteln zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers kontaktierbar sind, wobei die Kontaktierung der Leiterbahnen eine parallele Ansteuerung von Wandlersegmenten der verschiedenen Gruppen von Wandlersegmenten ermöglicht, und
– der Ultraschallwandler und der Dämpfungskörper in einer Ausrichtung zueinander stehen, in welcher die Leiterplatte in einem Winkel α zur kontaktierten Oberfläche des Ultraschallwandlers verläuft, der ungleich 0° ist.

Diese Ultraschallwandlerkomponente kann in einem Ultraschallprüfkopf verbaut werden, wobei sie in andere Bauteile integriert bzw. mit diesen verbunden werden kann. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine nach einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens hergestellte Ultraschallwandlerkomponente, so dass die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens auch für die damit hergestellte Ultraschallwandlerkomponente verwendet und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wandlersegmente als konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon ausgeformt, und mehrere Gruppen von Wandlersegmenten sind dergestalt selektiv auswählbar, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wandlersegmente als Sparse-Array angeodnet.
Von der Erfindung umfasst ist ferner ein zugehöriger Ultraschallprüfkopf, der eine solche Ultraschallwandlerkomponente umfasst, und eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, die wenigstens einen solchen Ultraschallprüfkopf aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Gegenstände der Unteransprüche sowie die Merkmale der Ausführungsbeispiele im Rahmen des technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele nicht einschränkend zu verstehen sind, sondern zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung dienen sollen.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Aufsicht auf einen zu kontaktierenden Ultraschallwandler gemäß einer ersten Ausgestaltung;
2 eine schematische Aufsicht auf einen zu kontaktierenden Ultraschallwandler gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
3 eine schematische Aufsicht auf einen zu kontaktierenden Ultraschallwandler gemäß einer dritten Ausgestaltung;
4 eine Darstellung des Verlaufs einer spiralförmigen Leiterplatte auf einem segmentierten Ultraschallwandler;
5a eine schematische Aufsicht auf einen Formkörper mit einer spiralförmigen formgebenden Aufnahme;
5b eine schematische Seitenansicht eines Formkörpers nach 5a mit eingebrachter Leiterplatte;
5c eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Formkörpers nach 5a mit eingebrachter Leiterplatte;
6a eine schematische Ansicht einer Gießform mit eingebrachter und umgossener Leiterplatte;
6b eine schematische Ansicht einer zu einem Dämpfungskörper umgossenen Leiterplatte gemäß 6a nach Entfernung aus der Gießform und Abtrennung des Formkörpers;
6c eine schematische Ansicht der Verbindung eines Dämpfungskörpers nach 6b mit einem Ultraschallwandler;
7 eine entwickelte Ansicht einer Leiterplatte; und
8 eine entwickelte Ansicht der Kontaktierung einer Leiterplatte.
Ein Ultraschallprüfkopf zur Verwendung in einer Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall umfasst üblicherweise einen Ultraschallwandler, der auf einem geeigneten Vorlaufkörper angeordnet ist, welcher dazu vorgesehen ist, auf eine Oberfläche des Prüflings aufgesetzt zu werden. Diese Oberfläche wird im Folgenden als Einkoppelfläche bezeichnet. Der Vorlaufkörper dient als Verschleißschutz und zur akustischen Ankoppelung des Ultraschallwandlers an den Prüfling, wobei er beispielsweise aus Plexiglas® bestehen kann. Der Ultraschallprüfkopf kann dabei so ausgestaltet sein, dass er von einem Prüfer händisch über die Einkoppelfläche des Prüflings geführt wird, um dabei Informationen über Strukturen im Material des Prüflings zu gewinnen. Der Ultraschallwandler ist dabei erfindungsgemäß in eine Mehrzahl von Wandlersegmenten unterteilt, die entweder kreisförmig oder ringförmig sind, oder Abschnitte von kreisförmigen- oder ringförmigen Wandlerelementen darstellen.
1 zeigt beispielhaft einen solchen segmentierten Ultraschallwandler 10 eines Ultraschallprüfkopfes, dessen Aufbau grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, sich aber zur Verwendung im Rahmen des von der Anmelderin entwickelten Verfahrens zur Ultraschallprüfung von Prüflingen hoher Materialstärke als besonders geeignet erwiesen hat. Die drei äußeren Wandlersegmente 11, 11‘ und 11‘‘ des Ultraschallwandlers 10 gemäß 1 sind dabei ringförmig ausgebildet, während das zentrale Wandlersegment 11‘‘‘ kreisförmig ist. Der Radius r des zentralen Wandlersegments 11‘‘‘ stimmt dabei mit der Ringbreite S der nachfolgenden Wandlersegmente 11‘‘, 11‘ und 11 überein. Alle Wandlersegmente 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ sind elektrisch voneinander isoliert und getrennt voneinander ansteuerbar. Verschiedene Gruppen von Wandlersegmenten können so gemeinschaftlich angesteuert werden, so dass sich jeweils ein Ultraschallwandler mit einer kreisförmigen aktiven Wandlerfläche mit einem bestimmten Durchmesser ergibt. Die Fläche der zwischen den Wandlersegmenten 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ gelegenen kreisförmigen isolierenden Bereiche, welche die verschiedenen Wandlersegmente elektrisch voneinander isolieren, sind dabei vernachlässigbar klein gegenüber der Fläche der einzelnen Wandlersegmente 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ selbst ausgebildet.
Der Ultraschallwandler 10 kann beispielsweise aus einem plattenförmigen piezoelektrischen Material bestehen, welches oberseitig und unterseitig mit einer metallischen Elektrode versehen ist. Zur Ausbildung der unabhängig voneinander ansteuerbaren Wandlersegmente 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ kann diese Elektrode zumindest auf einer der beiden Deckflächen des plattenförmigen Wandlermaterials strukturiert werden, um elektrisch voneinander isolierte Elektrodenbereiche auszubilden.
Eine zugehörige Ansteuereinheit ist dann dazu ausgebildet, aus der Menge der Wandlersegmente 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ eine Gruppe auszuwählen, bei deren paralleler Ansteuerung sich eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers ergibt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die erste Gruppe beispielsweise aus dem zentralen Wandlersegment 11‘‘‘, die zweite Gruppe aus den Wandlersegmenten 11‘‘‘ und 11‘‘, die dritte Gruppe aus den Wandlersegmenten 11‘‘‘, 11‘‘ und 11‘, und die vierte Gruppe aus allen Wandlersegmenten 11, 11‘, 11‘‘ und 11‘‘‘.
Beträgt der Durchmesser D1 des zentralen Wandlersegments 11‘‘‘ mit der Fläche F1: D1 = 2 × r, so ist der Durchmesser D2 der aktiven kreisförmigen Fläche F2: D2 = 4 × r, der Durchmesser D3 der aktiven Fläche F3: D3 = 6 × r, und der Durchmesser D4 der kreisförmigen aktiven Fläche F4: D4 = 8 × r. Für den Ultraschallwandler 10 ergeben sich dann für eine bestimmte Ultraschallfrequenz von beispielsweise 2 MHz und eine Schallgeschwindigkeit im Prüfling von 5920 m/s verschiedene Werte für die Nahfeldlänge N der sich ausbildenden „effektiven Ultraschallwandler“.
Nachdem die Ansteuereinheit eine erste Gruppe an Wandlersegmenten ausgewählt hat, steuert sie ausschließlich diese Gruppe von Wandlersegmenten an. Die angesteuerten Wandlersegmente erzeugen dann eine Folge von kurzen Ultraschallpulsen, die durch den Vorlaufkörper propagieren und über die Einkoppelfläche in das Material des Prüflings eintreten. Treffen die Ultraschallpulse im Material des Prüflings beispielsweise auf eine Ungänze oder auf eine Rückwand des Prüflings, werden sie zurückreflektiert und gelangen zurück zum Prüfkopf. Dessen Ultraschallwandler fungiert dann als Empfänger nimmt die reflektierten Pulse als Pulsechos auf, wandelt sie in elektrische Signale um und übermittelt diese an die Ansteuereinheit. In der Ansteuereinheit werden die empfangenen Echosignale aufbereitet, beispielsweise verstärkt und gefiltert, und auf einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige gebracht.
Das Verfahren erlaubt es dann, durch gezielte Variation des Durchmessers der akustisch aktiven Fläche des Ultraschallwandlers die Nahfeldlänge des Ultraschallprüfkopfes zu variieren, so dass gezielt verschiedene Raumbereiche des Prüflings unter optimalen Bedingungen geprüft werden können.
Die in 1 dargestellte Wandlerkonfiguration mit ringförmigen Wandlersegmenten gleichbleibender Ringbreite S dient hier im Wesentlichen zur Verdeutlichung des Grundprinzips eines erfindungsgemäß zu kontaktierenden Ultraschallwandlers. Ein weiteres zu beachtendes Kriterium bei der Gestaltung des Ultraschallwandlers besteht darin, dass das von dem segmentierten Ultraschallwandler erzeugte Schallfeld im Wesentlichen identisch sein muss mit dem Schallfeld, welches von einem einstückigen kreisförmigen Ultraschallwandler mit gleicher Fläche erzeugt würde. Dies kann bei einem segmentierten Ultraschallwandler dadurch erzielt werden, dass alle Wandlersegmente bei der Schallerzeugung mit der gleichen Amplitude schwingen. Es hat sich nun herausgestellt, dass die vorstehend genannten Bedingungen dann erfüllt sind, wenn alle Wandlersegmente im Wesentlichen dieselbe elektrische Kapazität aufweisen. In der Regel bilden die Wandlersegmente elektrische Kondensatoren mit einer bestimmten Kapazität aus. In einer plattenförmigen Konfiguration des Ultraschallwandlers ist die vorstehend genannte Bedingung in der Regel dann erfüllt, wenn die verschiedenen Wandlersegmente dieselbe Fläche aufweisen.
2 zeigt daher ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 10‘, dessen einzelne Wandlersegmente eine nach außen abnehmende Ringstärke aufweisen, so dass die Flächen der Wandlersegmente im Wesentlichen identisch sind. Diese spezielle Ringkonfiguration ist aus der Optik auch als „Zonenplatte“ bekannt und hat den besonderen Vorteil, dass alle Wandlersegmente bei einer parallelen Ansteuerung mit derselben Amplitude senden.
Möchte man andererseits erreichen, dass die Stärke der Raumbereiche, die mit dem Ultraschallwandler geprüft werden können, im Wesentlichen konstant ist, so muss dafür gesorgt werden, dass bei einem Übergang von einem beliebigen effektiven Ultraschallwandler, der von einer ersten Gruppe von Wandlersegmenten gebildet wird, zum effektiven Ultraschallwandler, der von einer zweiten Gruppe von Wandlersegmenten gebildet wird, die Nahfeldlänge linear anwächst. Allerdings führt dies dazu, dass die so bestimmten kreisringförmigen Wandlersegmente nicht dieselbe Fläche aufweisen. Daher ist hier das weitere Kriterium, dass die Kapazität der einzelnen Wandlersegmente im Wesentlichen gleich sein soll, nicht erfüllt. Dieses Kriterium kann aber dadurch erfüllt werden, dass die einzelnen kreis- bzw. ringförmigen Wandlersegmente nochmals in kleinere, einzeln ansteuerbare Wandlerelemente zerlegt werden, die dann alle im Wesentlichen dieselbe Fläche und damit dieselbe Kapazität aufweisen. Ein solcher Ultraschallwandler 10‘‘ gemäß einer dritten Ausführungsform ist in 3 schematisch dargestellt. In der Praxis kann eine Zerlegung der einzelnen Wandlersegmente in deutlich kleinere Wandlerelemente erforderlich sein, um das zusätzliche Kriterium identischer Flächen der Wandlerelemente mit ausreichender Genauigkeit erfüllen zu können.
Sollen die einzelnen Wandlersegmente eines gemäß einer der Ausführungsformen der 1–3 segmentierten Ultraschallwandlers selektiv und parallel ansteuerbar sein, muss durch eine geeignete Kontaktierung eine Verbindung zwischen diesen und einer Ansteuereinheit hergestellt werden. Dies kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, wobei 4 in einer Aufsicht beispielhaft einen weiteren kreisrunden Ultraschallwandler 10‘‘‘ mit mehreren Wandlersegmenten zeigt, von denen exemplarisch nur einzelne Wandlersegmente 11, 11‘, 11‘‘ und 11‘‘‘ mit Bezugszeichen versehen sind. Alle Wandlersegmente müssen kontaktiert werden, so dass von allen eine Verbindung zu einer Ansteuereinheit hergestellt werden muss. Hierzu wird erfindungsgemäß eine Leiterplatte 20 (PCB – Printed Circuit Board) eingesetzt, die in einen Dämpfungskörper eingebracht ist, welcher an der Rückseite des Ultraschallwandlers angebracht wird.
Auf der Leiterplatte ist eine Vielzahl von Leiterbahnen ausgebildet, die zur Kontaktierung verwendet werden können. Die Leiterplatte kann dabei beispielsweise aus einem festen oder flexiblen Kunststoff bestehen, auf dem die Leiterbahnen durch bekannte Verfahren ausgebildet wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Leiterplatte um eine flexible Folie (PCB-Folie), da diese in beliebige Formen bringbar ist, um einen bestimmten Verlauf der Leiterplatte auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers zu realisieren. Aber auch starre Leiterplatten können verwendet werden, wenn sie in eine gewünschte Form bringbar sind.
Als Material für die Leiterplatte kann beispielsweise Polyimid gewählt werden, wobei grundsätzlich jedes aus dem Stand der Technik bekannte Material gewählt werden kann, welches zur Herstellung von PCBs geeignet ist und eine ausreichende Flexibilität aufweist. Die Leiterbahnen können aus einem leitenden Material wie Gold, Kupfer, etc. ausgebildet sein.
Ein beispielhafter Verlauf einer Leiterplatte ist in der Aufsicht der 4 durch eine spiralförmige Leiterplatte 20 gezeigt. Die Leiterplatte 20 ist spiralförmig aufgewickelt, wobei die darauf angebrachten Leiterbahnen keinen Kontakt zueinander haben. Zwischen den einzelnen Bereichen der aufgewickelten Leiterplatte 20 besteht somit stets ein bestimmter Mindestabstand, um einen Kontakt der darauf angebrachten Leiterbahnen untereinander zu verhindern. Die Leiterplatte 20 steht vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche des Ultraschallwandlers, so dass sie in der Aufsicht spiralförmig ist. Dabei muss die Spirale jedoch nicht gleichmäßig sein, sondern sie kann auch etwas ungleichmäßig und eckig sein.
Die Leiterbahnen verlaufen quer zu dieser Aufwicklung, so dass sie ebenfalls senkrecht auf den Ultraschallwandler 10‘‘‘ zulaufen. Dies ermöglicht eine Kontaktierung aller Wandlersegmente mit einer Leiterbahn im Bereich des jeweiligen Wandlersegments. Dabei können die Leiterbahnen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und den gleichen Abstand zueinander haben. Sie müssen auf keine besondere Art angeordnet werden, da die Zuführung der Leiterbahnenden zu den richtigen Wandlersegmenten über die Form der Leiterplatte erfolgt. Zugehörige Kontaktstellen sind in der 4 beispielhaft durch verdickte Punkte und die Bezugsziffer 26 gekennzeichnet.
Dabei ist die Leiterplatte 20 in dem gewünschten Verlauf in einen blockförmigen Dämpfungskörper eingebracht, der auf der Rückseite des Ultraschallwandlers positioniert werden kann. Auf der einen Seite des Dämpfungskörpers liegen dann erste Enden der Leiterbahnen, die mit den Wandlersegmenten des Ultraschallwandlers kontaktiert werden können, während die zugehörigen zweiten Enden auf einer anderen Seite des Dämpfungskörpers liegen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um gegenüber liegende Seiten des Dämpfungskörpers, so dass die Leiterbahnen von einer Oberfläche des Dämpfungskörpers zu einer gegenüber liegenden Seite verlaufen. Denkbar wäre jedoch auch ein Verlauf der Leiterbahnen von einer Seite des Dämpfungskörpers zu einer daran angrenzenden anderen Seite. Die zweiten Enden können dann an der entsprechenden Seite des Dämpfungskörpers mit einer Ansteuereinheit verbunden werden.
Um die Leiterplatte in einen Dämpfungskörper einzubringen bzw. einen Dämpfungskörper mit eingebrachter Leiterplatte auszubilden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Leiterplatte mit dem Material des Dämpfungskörpers zu umgießen. Dazu kann die Leiterplatte in der gewünschten Lage in eine Gießform eingebracht werden, welche anschließend wenigstens teilweise mit dem Material des Dämpfungskörpers befüllt wird. Daraufhin härtet das Material aus und kann aus der Gießform entfernt werden, so dass ein Dämpfungskörper mit darin eingebetteter Leiterplatte hergestellt wird.
Vor und während des Gießvorgangs sollte die Leiterplatte möglichst in der gewünschten Form innerhalb der Gießform verbleiben, was insbesondere bei flexiblen Leiterplatten aus einer Folie problematisch sein kann, da sich diese beim Gießvorgang bewegen und/oder verformen können. Aber auch starre Leiterplatten können beim Gießen beispielsweise verrutschen, was die genaue Kontaktierung der zugehörigen Leiterbahnen beeinträchtigen oder sogar unmöglich machen kann. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ein zusätzlicher Formkörper eingesetzt, der eine formgebende Aufnahme umfasst, in welche die Leiterplatte eingebracht und während des Gießvorgangs gehalten wird. So gibt die Aufnahme die Form und Lage der Leiterplatte innerhalb des herzustellenden Dämpfungskörpers vor, wobei durch die Aufnahme insbesondere gewährleistet werden sollte, dass die ersten Enden der Leiterbahnen auf der dem Ultraschallwandler zugewandten Seite des Dämpfungskörpers an den richtigen Stellen liegen.
5a zeigt beispielhaft einen solchen Formkörper 30 in einer Aufsicht. Der Formkörper ist vorzugsweise kreisrund wie der herzustellende Dämpfungskörper und in ihre Oberfläche ist eine spiralförmige Nut 31 eingebracht. Der Verlauf der Nut 31 entspricht dem gewünschten Verlauf der Leiterplatte, und die Leiterplatte kann mit einer Seite von oben in die Nut 31 gesteckt werden. Dabei kann die Leiterplatte eine gewisse Steifigkeit aufweisen und in etwa in die gewünschte Spiralform gebracht worden sein, so dass sie bereits in die Nut 31 passt und diese nur verhindert, dass sich der Verlauf der Leiterplatte beim Gießen des Dämpfungskörpers verändert. Die Leiterplatte kann als PCB-Folie jedoch auch sehr flexibel sein und erst durch die formgebende Nut 31 in den gewünschten Verlauf gezwungen werden, indem die Folie erst beim Einführen in die Spiralform der Nut 31 spiralförmig aufgewickelt wird.
5b zeigt eine in die formgebende Nut 31 des Formkörpers 30 eingebrachte Leiterplatte 20 mit mehreren Leiterbahnen 21 in einem schematischen Schnitt entlang der Linie A-A in 5a. Die Leiterplatte 20 ragt dabei im Wesentlichen senkrecht unter einem Winkel α von etwa 90° aus dem Formkörper heraus. Die Nut 31 hat eine bestimmte Tiefe T, die beispielsweise die Hälfte der Dicke der Form 30 beträgt. Die Dicke d der Form liegt dabei typisch in der Größenordnung von 5 bis 20 Millimetern. Da die Form nach dem Gießvorgang von dem Dämpfungskörper entfernt werden muss, sollte die Dicke d des Formkörpers möglichst nicht zu hoch sein. Die Nut ist dabei so tief gewählt, dass die Leiterplatte 20 gut in ihr gehalten wird, so dass das Spiel zwischen Leiterplatte 20 und Nut 31 möglichst gering sein sollte. Grundsätzlich gilt, dass die Dicke abhängig vom Volumen des Dämpfungskörpers bzw. vom Schrumpf während der Aushärtung ist. Die Dicke ist bevorzugt so zu wählen, dass der Schrumpf die Platte nicht verzieht. Bei einem Dämpfungskörper mit einem Durchmesser von ca. 60 mm und einer Höhe von ca. 40 mm würde man typisch eine Platte von ca. 10 mm Dicke wählen. Die Tiefe der Nut sollte bevorzugt mind. 1 mm betragen.
5c zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht einer Leiterplatte 20 in der formgebenden Nut eines Formkörpers 30. Die Leiterplatte 20 weist mehrere Leiterbahnen auf, die in der Figur nur durch gestrichelte Linien angedeutet und beispielhaft mit einer Bezugsziffer 21 gekennzeichnet sind. Die Leiterbahnen 21 laufen vorzugsweise alle senkrecht auf die Oberfläche der Form 30 zu, wobei sie parallel unter dem gleichen Abstand zueinander verlaufen können. Der Abstand kann jedoch auch variieren, und die Leiterbahnen 21 können auch unter einem Winkel verschieden von 90° auf die Oberfläche der Form 30 zulaufen. Auf der gegenüber liegenden Seite ändern die Leiterbahnen 21 ihren ansonsten parallelen Verlauf und werden vorzugsweise an einer Stelle zusammen geführt. An dieser Stelle kann eine Verbindung der Leiterbahnen 21 zu einer Anschlussstelle realisiert werden.
Nach Einbringung der Leiterplatte 20 in die formgebende Aufnahme 31 des Formkörpers 30, kann der Formkörper 30 zusammen mit der Leiterplatte 20 in eine Gießform 60 eingebracht und an deren Boden positioniert werden, bzw. der Formkörper 30 bildet zusammen mit einer kreisrund umlaufenden Seitenwand 61 die Gießform, wobei die Form 30 wie im Ausführungsbeispiel der 6a den Boden der Gießform 60 bildet. Um die Leiterplatte 20 auch in einem oberen Bereich zu stützen und ihre Lage zu fixieren, kann in diesem Bereich eine Halterung 32 vorgesehen sein.
Die Gießform 60 wird nach der Positionierung der Leiterplatte 22 bis zu einem bestimmten Pegel mit dem Material 41 des Dämpfungskörpers befüllt. Der Formkörper 30 und die Leiterplatte 20 werden dabei in das Material des Dämpfungskörpers eingebettet, wobei die Leiterbahn 20 nicht vollständig eingegossen werden muss, sondern auch oben aus dem so herzustellenden Dämpfungskörper herausragen kann. Vorzugsweise liegt der Pegel unterhalb der Halterung 32, so dass diese nicht mit eingegossen wird. Die Halterung 32 kann jedoch auch mit eingegossen werden, wobei sie nach dem Gießvorgang auch von der Gießform 60 lösbar sein muss. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Formkörper 30 nicht von Material 41 des Dämpfungskörpers umgossen wird, sondern lediglich auf seiner Oberseite Kontakt mit diesem erhält, wenn der Formkörper 30 beispielsweise den Boden der Gießform 60 bildet.
Nach Aushärten des Materials 41 kann der Dämpfungskörper von der Gießform 60 getrennt werden, wobei es sich noch nicht um den abschließenden Dämpfungskörper handelt, sondern es kann auch ein Rohling sein, der weiteren Verfahrensschritten unterworfen wird, um einen Dämpfungskörper auszubilden.
Insbesondere wird wenigstens der Formkörper 30 zusammen mit dem Teil der Leiterplatte 20, die innerhalb der Nut 31 steckte, an einer Trennlinie 33 abgetrennt, wie es schematisch in der 6b gezeigt ist. Dies führt dazu, dass erste Enden 24, 24‘, 24‘‘, ..., 24 ⁿ der Leiterbahnen 21 auf einer Seite 22 des so entstandenen Dämpfungskörpers 40 frei liegen. Zugehörige zweite Enden 25, 25‘, 25‘‘, ..., 25 ⁿ liegen dann auf der gegenüber liegenden Seite 23 des Dämpfungskörpers 40 frei. Je nachdem, wie hoch die Gießform 60 befüllt wurde, ragt die Leiterplatte 20 dabei zu einem bestimmten Grad aus dieser Seite 23 des Dämpfungskörpers 40 heraus. Die Abtrennung des Materials kann beispielsweise durch Fräsen erfolgen.
Für eine Kontaktierung dieser ersten Enden 24, 24‘, 24‘‘, ..., 24 ⁿ der Leiterbahnen 21 mit einem Ultraschallwandler kann die entsprechende Seite 22 des Dämpfungskörpers 40 anschließend mit einer leitenden Schicht versehen werden. Diese Schicht hat so nach der Aufbringung Kontakt zu allen freien ersten Enden der Leiterbahnen 21. Die Schicht wird vorzugsweise als Goldschicht ausgeführt. Es sind aber auch andere Materialien denkbar, die zum einen leitfähig sind und zum anderen durch typische Prozesse wie z.B. Aufdampfen, Siebdrucken, nasschemisches Abscheiden, o.ä. auf eine Oberfläche aufgebracht werden können. Neben Gold haben sich insbesondere Kupfer, Chrom, Platin und ähnliche Metalle bewährt. Die Dicke der Schicht ist dabei so gewählt, dass auf einer bearbeiteten Oberfläche mit gegebener Oberflächenrauigkeit eine geschlossen, leitfähige Oberfläche ausgebildet wird. Typischerweise geschieht dies bei einigen µm bis einigen, wenigen 10 µm. Die bevorzugte Schichtdicke liegt dabei bei mindestens 2 µm, insbesondere mindestens 10 µm und besonders bevorzugt bei mindestens 20 µm.
Diese leitende Schicht wird anschließend strukturiert, was beispielsweise mechanisch und/oder chemisch erfolgen kann. Durch die Strukturierung können auf der zugehörigen Oberfläche des Dämpfungskörpers 40 weitere Leiterbahnen ausgebildet werden, welche die senkrecht aus der Oberfläche 22 austretenden Leiterbahnen 21 parallel zu dieser Oberfläche in genau den Bereich verlängern, in dem sie ein spezielles Wandlersegment kontaktieren sollen. Die Strukturierung kann jedoch auch nur eine Vergrößerung der Kontaktfläche im Bereich der freien Enden der Leiterbahnen bewirken, so dass diese besser mit den Wandlersegmenten kontaktiert werden können. Beispielsweise können dazu Kontaktbereiche mit einer Fläche ausgebildet werden, die größer ist als die Querschnittsfläche der Leiterbahnen 21.
6c zeigt die Verbindung des so ausgebildeten Dämpfungskörpers 40 und eines Ultraschallwandlers 10‘‘‘ über die entsprechend strukturierte, leitende Schicht 50. Vorzugsweise steht die Leiterplatte 20 dabei in einem Winkel α von etwa 90° zur Oberfläche des Ultraschallwandlers, so dass auch die Leiterbahnen 21 unter diesem Winkel auf die zu kontaktierenden Wandlersegmente treffen. Dieser Winkel kann jedoch auch verändert werden, solange er ungleich 0° ist. Der Dämpfungskörper 40 und der Ultraschallwandler 10‘‘‘ bilden zusammen eine Ultraschallwandlerkomponente 12 aus, die als Bauteil in einem nicht dargestellten Ultraschallprüfkopf verbaut werden kann. Dazu wird auf der Seite des Ultraschallwandlers 10‘‘‘, welche dem Dämpfungskörper 40 gegenüber liegt, typischerweise ein Vorlaufkörper vorgesehen, durch den die Wandlersegmente des Ultraschallwandlers 10‘‘‘ schallen.
7 zeigt die in die formgebende Nut 31 des Formkörpers 30 eingebrachte Leiterplatte 20 nochmals vor dem Gießen in den Dämpfungskörper, wobei auch die Halterung 32 bereits an der Leiterplatte 20 angebracht ist. Dabei handelt es sich um eine Ansicht, in welcher die Leiterplatte 20 flach entwickelt dargestellt ist. Aus dieser Ansicht sind die zunächst äquidistant und parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen 21 ersichtlich, die vorzugsweise auf der ersten Seite 22 in einem festen Abstand x zueinander verlaufen, bevor sie auf der gegenüber liegenden Seite 23 zu einer Anschlussstelle zusammen laufen. Diese Anschlussstelle kann jedoch auch an einer Seite der Leiterplatte 20 ausgebildet sein, die an die untere Kontaktseite 22 angrenzt.
Da das Material der Leiterplatte 20 in dem Bereich, der sich innerhalb der Nut 31 des Formkörpers 30 befindet, nach dem Gießvorgang zusammen mit der Form 30 abgetrennt wird, um den Dämpfungskörper auszubilden, kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen 21 der ursprünglich eingesetzten Leiterplatte 20 nicht bis an die untere Kante der Leiterplatte und somit den Boden der Nut 31 heranreichen, sondern bereits vor dieser Kante enden. Diese Ausführungsform ist in 7 gewählt, wobei dies insbesondere den Vorteil hat, dass bei der Abtrennung des Formkörpers 30 – beispielsweise durch Fräsen – kein wertvolles Leiterbahnmaterial verschwendet wird bzw. aufwendig aufbereitet werden muss. Die Länge der Leiterbahnen 21 und die Tiefe T der Nut sind dabei vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die Leiterbahnen 21 kurz hinter der Trennlinie 33 enden, an welcher der Formkörper 30 abgetrennt wird. So ist gewährleistet, dass die Enden der Leiterbahnen anschließend an der unteren Seite des Dämpfungskörpers freiliegen und beispielsweise mit der leitenden Schicht 50 beschichtet und kontaktiert werden können.
8 zeigt zur Vereinfachung der Darstellung erneuteine entwickelte Ansicht der Kontaktierung einer Leiterplatte 20 mit den Wandlersegmenten 11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘, ..., 11 ⁿ eines Ultraschallwandlers 10. Aufgrund des vorzugsweise konstanten Abstands x zwischen den Leiterbahnen 21 und der konzentrischen Anordnung der Wandlersegmente mit unterschiedlichen Ringbreiten S kann es dazu kommen, dass einige Leiterbahnen eindeutig im Bereich nur eines Wandlersegments liegen, während andere Leiterbahnen im Grenzbereich zwischen zwei Wandlersegmenten enden. Ferner kann es vorkommen, dass mehr als eine Leiterbahn im Bereich eines Wandlersegments endet. In der schematischen Darstellung der 8 sind die Leiterbahnen zur Veranschaulichung sehr breit ausgeführt, um zu zeigen, dass beispielsweise eine Leiterbahn 21‘ sowohl im Bereich des Wandlersegments 11‘, als auch im Bereich des Wandlersegments 11‘‘ endet. Ferner enden am Wandlersegment 11‘ die beiden Leiterbahnen 21 und 21‘ und am Wandlersegment 11‘‘ die beiden Leiterbahnen 21‘ und 21‘‘. Dies gilt auch für andere Bereiche.
Um die Wandlersegmente eindeutig nur mit einer Leiterbahn zu kontaktieren, kann daher vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen nicht alle mit dem Ultraschallwandler 10 kontaktiert werden. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Strukturierung der leitenden Schicht zwischen dem Dämpfungskörper 40 und dem Ultraschallwandler 10 erreicht werden. Damit nicht zu kontaktierende Leiterbahnenden keinen Kontakt zu den Wandlersegmenten haben, können in diesen Bereichen Aussparungen innerhalb der leitenden Schicht vorgesehen werden, bzw. die leitende Schicht bleibt nur in den Bereichen der zu kontaktierenden Leiterbahnen erhalten. Die nicht kontaktierten Leiterbahnen sind in der 8 mit einem Kreuz gekennzeichnet, so dass in der Leiterplatte 20 genutzte und ungenutzte Leiterbahnen vorliegen.
Es kann auch vorgesehen werden, dass alle Leiterbahnen mit dem Ultraschallwandler 10 kontaktiert werden, so dass ein Wandlersegment mit mehreren Leiterbahnen verbunden sein kann. Allerdings sind einzelne Leiterbahnen dann auf der anderen Seite nicht mit der Anschlussstelle verbunden, wodurch sie ungenutzt bleiben. Auch so können genutzte und ungenutzte Leiterbahnen realisiert werden, wobei die Strukturierung der leitenden Schicht weniger aufwendig ist. Damit es hierbei nicht zu Kurzschlüssen durch Leiterbahnen wie beispielsweise die mit der Bezugsziffer 21‘‘ kommt, die gleichzeitig Kontakt zu zwei Wandlersegmenten 11‘ und 11‘‘ haben, kann jedoch ergänzend eine Strukturierung der leitenden Schicht erforderlich sein, um zumindest diese Grenzsituation zu verhindern. Dass mehrere Leiterbahnen in ein Wandlersegment münden und nur eine dieser Leiterbahnen auch an der Anschlussstelle kontaktiert wird, ist dagegen weitestgehend unproblematisch. Dies ist beispielsweise beim Wandlersegment 11 ⁿ der Fall.
Das Schema für anzuschließende und nicht anzuschließende Leiterbahnen kann für verschiedene Wandlertypen vorgegeben werden, so dass beispielsweise bei einem Wandler mit einer höheren Anzahl von Wandlersegmenten ein anderes Schema anzuwenden ist als bei einem Wandler mit weniger Wandlersegmenten. Auch die Größe der Segmente kann einen Einfluss auf das Anschlusschema haben, wobei jedoch stets eine Einheits-Leiterplatte verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10, 10‘, 10‘‘, 10‘‘‘: Ultraschallwandler
11, 11‘, 11‘‘, 11‘‘‘ ... 11ⁿ: Wandlersegment, Wandlerelement
12: Ultraschallwandlerkomponente
20: Leiterplatte
21, 21‘, 21‘‘: Leiterbahn
22, 23: Seite der Leiterplatte, Stirnseite
24, 24‘ ... 24ⁿ: Erstes Ende einer Leiterbahn
25, 25‘ ... 25ⁿ: Zweites Ende einer Leiterbahn
26: Kontaktpunkt
30: Formkörper, Form
31: Aufnahme, Nut
32: Halterung
33: Trennlinie
40: Dämpfungskörper
41: Gussmaterial des Dämpfungskörpers
50: Leitende Schicht, Goldschicht
60: Gießform
61: Seitenwand
x: Abstand zwischen Leiterbahnen
d: Dicke des Formkörpers
T: Tiefe der Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 583-2 [0007]

Claims

Verfahren zur Kontaktierung eines Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, umfassend wenigstens die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) aufgeteilt ist; b) Bereitstellen einer Leiterplatte (20), auf welcher mehrere Leiterbahnen (21) verlaufen, die sich jeweils zwischen zwei Seiten (22; 23) der Leiterplatte (21) erstrecken; c) Ausbildung eines Dämpfungskörpers (40), in welchen die Leiterplatte (21) derart eingebracht ist, dass erste Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) auf einer Seite (22) des Dämpfungskörpers (40) frei liegen, während zugehörige zweite Enden (25; 25‘, ..., 25 ⁿ) auf einer anderen Seite (23) des Dämpfungskörpers (40) freiliegen; d) Verbinden des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) mit dem Dämpfungskörper (40) in einer Ausrichtung, in welcher die Leiterplatte (20) in einem Winkel α zur zu kontaktierenden Oberfläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) verläuft, der ungleich 0° ist, und dabei e) Kontaktieren von wenigstens einem Teil der ersten Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) mit den Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) und Kontaktieren von wenigstens einem Teil der zweiten Enden (25; 25‘, ..., 25 ⁿ) mit Mitteln zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) über die kontaktierten Leiterbahnen (21).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) und die zweiten Enden (25; 25‘, ..., 25 ⁿ) der Leiterbahnen (21) auf gegenüber liegenden Seiten (22; 23) des Dämpfungskörpers (40) liegen.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) zur kontaktierten Oberfläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) in einem Winkel α verläuft, der größer als 0° ist und bis zu 90° beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungskörper (40) ausgebildet wird, indem die Leiterplatte (20) vom Material des Dämpfungskörpers (40) umgossen wird, wodurch die Leiterplatte (20) in den Dämpfungskörper (40) eingebettet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite (22) des Dämpfungskörpers (40) mit den frei liegenden ersten Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) nach Ausbildung des Dämpfungskörpers (40) mit einer leitenden Schicht (50) beschichtet wird, die anschließend bereichsweise wieder entfernt wird, wodurch die freien ersten Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) in Kontakt mit nicht entferntem leitenden Material (50) stehen, über welches die Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) kontaktiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (21) vor der Einbettung in den Dämpfungskörper (40) im Verfahrensschritt c) flexibel ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (21) quer zu den Leiterbahnen (21) spiralförmig aufgewickelt ist, wobei zwischen den Leiterbahnen (21) kein Kontakt besteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (21) vor dem Verfahrensschritt c) in eine Gießform (60) eingebracht wird, welche mit dem Material des Dämpfungskörpers (40) wenigstens teilweise befüllt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einen Formkörper (30) mit einer formgebenden Aufnahme (31) bereitgestellt wird, und die Leiterplatte (21) vor dem Verfahrensschritt c) in die Aufnahme (31) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Aufnahme eine Nut (31) auf einer Fläche des Formkörpers (30) ist, in welche die Leiterplatte (20) vor dem Verfahrensschritt c) teilweise mit einer Seite (22) eingebracht wird, auf welche die Leiterbahnen (21) zulaufen, und dass wenigstens der Formkörper (30) zusammen mit dem darin eingebrachten Teil der Leiterplatte (20) nach dem Umgießen der Leiterplatte (20) mit dem Material des Dämpfungskörpers (40) soweit entfernt werden, dass erste Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) auf dieser Seite (22) frei liegen.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Aufnahme (21) spiralförmig ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) zusammen mit dem Formkörper (30) vor dem Verfahrensschritt c) in die Gießform (60) eingebracht wird, welche mit dem Material des Dämpfungskörpers (40) wenigstens teilweise befüllt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle ersten freien Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) mit Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) kontaktiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) als konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon ausgeformt sind, und mehrere Gruppen von Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) selektiv dergestalt auswählbar sind, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) jeweils eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) ergibt.
Ultraschallwandlerkomponente (12) für einen Ultraschallprüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings hoher Materialstärke mittels Ultraschall, umfassend wenigstens die folgenden Komponenten: – ein Ultraschallwandler (10; 10‘; 10‘‘), der in eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) aufgeteilt ist, – ein Dämpfungskörper (40) in Verbindung mit dem Ultraschallwandler (10; 10‘; 10‘‘), in welches eine Leiterplatte (20) mit mehreren Leiterbahnen (21) derart eingebracht ist, dass erste Enden (24; 24‘, ..., 24 ⁿ) der Leiterbahnen (21) auf einer Seite (22) des Dämpfungskörpers (40) mit den Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) kontaktiert sind, während zugehörige zweite Enden (25; 25‘, ..., 25 ⁿ) auf einer anderen Seite (23) des Dämpfungskörpers (40) mit Mitteln zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) kontaktierbar sind, wobei die Kontaktierung der Leiterbahnen (21) eine parallele Ansteuerung von Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) der verschiedenen Gruppen von Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) ermöglicht, und – der Ultraschallwandler (10; 10‘; 10‘‘) und das Dämpfungskörper (40) in einer Ausrichtung zueinander stehen, in welcher die Leiterplatte (20) in einem Winkel α zur kontaktierten Oberfläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) verläuft, der ungleich 0° ist.
Ultraschallwandlerkomponente (12) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) als konzentrische Kreise oder Ringe, oder Abschnitte davon ausgeformt sind, und mehrere Gruppen von Wandlersegmenten (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) dergestalt selektiv auswählbar ist, dass sich bei einer parallelen Ansteuerung dieser Wandlersegmente (11; 11‘; 11‘‘; 11‘‘‘) eine kreisförmige aktive Fläche des Ultraschallwandlers (10; 10‘; 10‘‘) ergibt;
Ultraschallwandlerkomponente nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt wurde.
Ultraschallprüfkopf, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Ultraschallwandlerkomponente (12) nach Anspruch 15 umfasst.
Vorrichtung für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Ultraschallprüfkopf gemäß Anspruch 18 umfasst.