DE19927796C1 - Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Dämpfungsmaterial für Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zum Einbringen des Dämpfungsmaterials in das Gehäuse eines Ultraschallwandlers. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial setzt sich als Hauptbestandteil aus einem Schmelzkleber oder aus einem thermoplastischen Kunststoff, der in Schmelzklebern eingesetzt wird, zusammen. Dieses Dämpfungsmaterial wird vorzugsweise unter einem Druck 2 x 10·5· - 60 x 10·5· Pa in das Gehäuse des Ultraschallwandlers eingepreßt. DOLLAR A Das Dämpfungsmaterial vereint die Vorteile einer kostengünstigen Produktion von piezoelektrischen Ultraschallwandlern in großen Stückzahlen mit den sehr guten Dämpfungseigenschaften von Dämpfungsmassen mit hohem Füllstoffanteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen, einen Ultraschallwandler, der mit diesem Dämpfungsmaterial gedämpft wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler.

In vielen Anwendungsbereichen werden Ultraschall­ wandler eingesetzt, um einen Ultraschallimpuls zu emittieren und nachfolgend rückgestreute Echosignale zu empfangen. Wird bei diesen Ultraschallwandlern keine akustische Bedämpfung des die Ultraschallwelle erzeugenden Piezoschwingers vorgenommen, so zeigt der Wandler ein sehr schmalbandiges Verhalten. Aufgrund dieses schmalbandigen Verhaltens dauert es nach Anregung des Wandlers mit einem Impuls sehr lange, bis der Wandler ausgeschwungen ist. Während des Zeitraums vom Anregen des Impulses bis zum Ausschwingen des Wandlers, der sogenannten Totzeit, kann der Wandler kein akustisches Signal empfangen. Die Strecke, die der Schall während dieser Zeit im Meßmedium durchläuft, ist die Blockdistanz. Mit dem Wandler können daher keine Objekte erkannt werden, die sich innerhalb der Blockdistanz im Schallpfad befinden.

Zur Verminderung der minimalen Entfernung, ab der Objekte im Schallpfad durch den Wandler erkannt werden können, muß der Ultraschallwandler so konstruiert werden, daß der Wandlerkörper möglichst schnell ausschwingt. Ultraschallwandler sind daher in der Regel mit einer Dämpfungsschicht versehen, die auf der der Wandlerfront abgewandten Seite des Wandlerkörpers aufgebracht sind. Im Stand der Technik werden unterschiedliche Dämpfungsmaterialien für diese Dämpfungsschicht eingesetzt.

So ist es aus der DE 41 40 040 bekannt, das Dämpfungsmaterial aus einem Weichgummi oder einem anderen Elastomer herzustellen, welches zusätzlich mit Luft- oder Gasblasen versehen wird. Dieses Material weist zwar eine hohe Dämpfung auf, hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der unterschiedlichen akustischen Impedanz von Dämpfungsmaterial und Wandlerkörper ein großer Anteil der Ultraschallwellen an der Grenzfläche zwischen dem Wandlerkörper und der Dämpfungsschicht reflektiert wird und daher nicht gedämpft werden kann. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz dieses Dämpfungsmaterials ist die mangelnde Reproduzierbarkeit der Menge an Gasblasen im Elastomer. Bei der Herstellung derartiger Wandler muß daher eine große Streuung der Dämpfungseigenschaften in Kauf genommen werden.

Aus der DE 33 01 848 ist ein Dämpfungsmaterial aus Polyurethanschaum bekannt. Auch dieses Material weist jedoch die gleichen Nachteile auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Dämpfungsmaterial der DE 41 40 040 dargestellt worden sind.

Zur Beseitigung der obigen Nachteile der unterschiedlichen akustischen Impedanzen von Dämpfungs­ material und Wandlerkörper wird in der DE 42 30 773 vorgeschlagen, dem Dämpfungsmaterial Füllstoffe mit einem hohen Feststoffgehalt beizufügen. So wird in dieser Druckschrift eine Dämpfungsschicht aus einem Silikonelastomer eingesetzt, dem ein Pulveranteil von mehr als 55% Al₂O₃ als Streukörper und mehr als 2% Fe₂O₃ zur Erhöhung der Masse und somit der akustischen Impedanz beigemischt wird. Die Dämpfungseigenschaften dieser Mischung sind aufgrund der besser angepaßten akustischen Impedanz gegenüber dem reinen Dämpfungs­ material deutlich verbessert. Die Herstellung dieser Dämpfungsschicht gestaltet sich jedoch problematisch, da die entstehende Masse aus Dämpfungsmaterial und Füllstoffpulver mit zunehmendem Feststoffanteil schwer mischbar wird und sich nicht mehr gießen läßt.

Auch in der DE 44 24 194 wird ein Dämpfungs­ material vorgeschlagen, dem zur Erhöhung der akustischen Impedanz Füllstoffe beigemischt werden. In dieser Schrift besteht das Dämpfungsmaterial aus einem Polyurethan-System, das Wolframpulver als Füllstoff enthält.

In der US 4800316 wird ein Dämpfungsmaterial aus Epoxidharz vorgeschlagen, das mit Wolframpulver und Ceriumoxidpulver vermischt ist.

Schließlich offenbart die US 4528652 ein Gießharz, das mit schweren Metalloxidpulvern versetzt wird.

Zusätzlich werden dem Dämpfungsmaterial Glashohlkugeln oder Glasstaub als Streukörper beigemischt.

Auch die US 4382201 setzt ein Dämpfungsmaterial, Polyvinylchlorid, ein, dem zur Erhöhung der akustischen Impedanz Wolframpulver beigemischt ist.

Die bisher beschriebenen Wege zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften eines Ultraschallwandlers haben gemeinsam, daß neben dem Grundmaterial ein beträcht­ licher Anteil an Füllstoffen erforderlich ist, der sowohl die spezifische Masse als auch die Schall­ geschwindigkeit in der Dämpfungsschicht erhöht.

Zusätzlich werden in der Regel Streukörper in Form von Luftblasen oder Körnern in der Größe der Schallwellen­ länge zur Dämpfung des Schalls in das Dämpfungsmaterial eingebracht. Bei all diesen Systemen muß der Füllstoff­ anteil vergrößert werden, um die gewünschte Bedämpfung zu erhöhen.

Der Nachteil dieser bekannten Dämpfungsmaterialien besteht nun darin, daß zur Herstellung eines sehr breitbandigen Ultraschallwandlers der Füllstoffanteil so stark erhöht werden muß, daß weder eine maschinelle Vermischung der Komponenten noch ein automatisiertes Vergießen des Wandlers möglich ist. Das Material kann nur noch manuell gemischt und eingeknetet werden. Daraus resultieren jedoch hohe Kosten bei gleichzeitig geringer Stückzahl und schlechter Reproduzierbarkeit der Dämpfungseigenschaften. Weiterhin ist der Material­ einsatz sehr aufwendig.

Die nachveröffentlichte DE 198 09 207 C1 beschreibt ein Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen, das sich als Hauptbestandteil aus einem geschäumten Schmelz­ kleber zusammensetzt. Dieses Material soll einfacher herstellbar sein als die bekannten Dämpfungsmaterialen auf Basis von Polyurethanschäumen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dämpfungsmaterial anzugeben, das gute Dämpfungseigenschaften aufweist und kostengünstig und vollständig automatisiert verarbeitet werden kann.

Die Aufgabe wird mit dem Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 4 und 8 geben einen Ultraschallwandler mit dem Dämpfungsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler mit diesem Dämpfungsmaterial an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Dämpfungs­ materials, des Ultraschallwandlers sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß mit dem Einsatz von nicht geschäumten Schmelzklebern oder von nicht geschäumten thermoplastischen Kunst­ stoffen, die in Schmelzklebern eingesetzt werden, als Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften erreicht werden. Die Vermessung der Dämpfungseigenschaften von Ultraschallwandlern, die mit dieser Dämpfungsmasse versehen wurden, ergab sogar verbesserte Dämpfungseigenschaften als die von Ultraschallwandlern, die mit einem herkömmlichen Dämpfungsmaterial mit einem hohen Füllstoffanteil aufgebaut wurden. Hierbei ist hervorzuheben, daß die besseren Dämpfungseigenschaften mit dem erfindungs­ gemäßen Dämpfungsmaterial ohne Zugabe von Füllstoffen erreicht wurden.

Weiterhin wurde mit dem vorliegenden Dämpfungs­ material eine erheblich bessere Reproduzierbarkeit der Dämpfungseigenschaften erzielt, als dies bei der Her­ stellung von Ultraschallwandlern mit den Dämpfungs­ materialien des Standes der Technik möglich war. Diese vorteilhaften Eigenschaften schlagen sich in einem Frequenzgang mit höherer Linearität bei gleichzeitig verbesserter Bandbreite nieder.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Dämpfungs­ materials hat den weiteren Vorteil, daß dieses leicht zu verarbeiten ist und insbesondere in das Gehäuse eines Ultraschallwandlers eingegossen werden kann. Die Verwendung eines Schmelzklebers als Dämpfungsmaterial bietet den zusätzlichen Vorteil der sehr guten Fixierung der Dämpfungsschicht innerhalb des Wandler­ gehäuses. Weiterhin hat sich gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Dämpfungseigenschaften bei Verwendung eines Schmelzklebers als Dämpfungsmaterial etwa um den Faktor 2 geringer als bei den bekannten Dämpfungsmaterialien des Standes der Technik ist.

Die günstige Verfügbarkeit von Schmelzklebern sowie die leichte Verarbeitung reduzieren die Produktionskosten von Ultraschallwandlern und führen damit zu einer deutlichen Kostensenkung bei der Her­ stellung.

Das erfindungsgemäße neuartige Dämpfungsmaterial vereint somit die Vorteile einer kostengünstigen Produktion von piezoelektrischen Ultraschallwandlern in großen Stückzahlen mit den sehr guten Dämpfungseigen­ schaften, wie sie nur Dämpfungsmassen mit sehr hohem Füllstoffanteil erreichen.

Die guten Dämpfungseigenschaften des vorliegenden Dämpfungsmaterials wurden an allen gängigen, kommer­ ziell erhältlichen Schmelzklebern festgestellt. Die thermoplastischen Kunststoffe, die in Schmelzklebern eingesetzt werden, umfassen insbesondere Polyamide, Polyester, Polyolefine, reaktive Urethane, Polyvinyl­ butyrale, Polyisobutylen, Ethylen/Ethylacrylat- Copolymere und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere.

Besonders gute Dämpfungseigenschaften hat in diesem Zusammenhang die Gruppe der Polyamide gezeigt.

Polyamide sind teilkristalline Thermoplaste, deren Kristallinität in hohem Maße durch die Verarbeitungs­ bedingungen bestimmt wird. Der starke polare Charakter der Amidgruppe bewirkt eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen benachbarten Molekülketten, so daß laminare Strukturen mit einer Ausdehnung von 500 bis 1000 nm entstehen. Außerdem bilden sich, besonders bei langsamer Abkühlung, große Sphärolithstrukturen. In wie weit diese Eigenschaften der Polyamide die Dämpfung von Ultraschallwellen begünstigen, kann jedoch nicht verifiziert werden. Polyamide haben jedoch für den kommerziellen Einsatz den Vorteil der gesundheitlichen Unbedenklichkeit.

Selbstverständlich kann durch den Zuschlag pulver- oder faserförmiger Füllstoffe zum Dämpfungsmaterial, ebenso wie im Stand der Technik, der Streuanteil an der Gesamtdämpfung gezielt gesteigert werden. Die Füll­ stoffe werden hierzu nach ihren schalltechnischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem Wellenwiderstand, ausgewählt und in ihrer Partikelgröße auf das ange­ strebte Streuphänomen (geometrische Streuung, Resonanz­ streuung, Rayleigh-Streuung) und den verwendeten Schmelzklebstoff oder thermoplastischen Kunststoff abgestimmt.

Zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial gibt es unterschiedliche Wege. Bei einer bevorzugten Technik wird das Dämpfungsmaterial mit einer automatischen Schmelzklebstoff-Vergußanlage aufgeschmolzen und unter einem Druck 2 × 10⁵-60 × 10⁵ Pa in das Gehäuse des Ultraschallwandlers, in dem sich der Wandlerkörper befindet, eingegossen. Ein derartiges Verfahren ist im Ausführungsbeispiel näher dargestellt.

Es ist jedoch ebenso möglich, das Dämpfungs­ material zunächst in entsprechende Formen zu vergießen, die dem Innenvolumen des Gehäuses des Ultraschall­ wandlers entsprechen. Nach Abkühlung werden die Dämpfungskörper dann aus der Form genommen und in das Gehäuse eingeklebt bzw. an den Wandlerkörper von hinten angepreßt. Zur Versiegelung des Dämpfungsmaterials kann anschließend eine Schicht aus Gießharz auf die rückseitig offenliegende Oberfläche der Dämpfungs­ schicht aufgebracht werden.

Der Aufbau eines Ultraschallwandlers mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial sowie die Ein­ bringung des Dämpfungsmaterials in einen derartigen Ultraschallwandler werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 beispielhaft einen Ultraschallwandler in einer Form zum Eingießen des flüssigen Dämpfungsmaterials; und

Fig. 2 ein Beispiel für einen Ultraschallwandler mit rückseitiger Dämpfungsschicht, bei dem zusätzlich Kontaktstifte zur elektrischen Verbindung mit dem Wandlerkörper in die Dämpfungsschicht eingebettet sind.

In Fig. 1 ist der typische Aufbau eines Ultraschallwandlers zu erkennen. Der Wandler setzt sich aus dem Wandlergehäuse 3, dem Wandlerkörper 1, einer Klebstoffschicht 2, die den Wandlerkörper mit dem Boden des Wandlergehäuses 3 verbindet, sowie den elektrischen Kontaktdrähten 4 für den Wandlerkörper zusammen. Der Wandlerkörper ist in der Regel eine piezoelektrische Scheibe, beispielsweise eine Piezokeramik, an deren Vorder- und Rückseite die elektrischen Kontakte zur Anregung eines Ultraschallimpulses angebracht sind. Die Bodenfläche des Wandlergehäuses 3 ist vorzugsweise als l/4 Anpassungsschicht ausgeführt. Die schallabstrah­ lende Oberfläche des Ultraschallwandlers wird durch die Bodenfläche gebildet. Auf der der Bodenfläche abge­ wandten Seite der Piezokeramik 1 ist die Dämpfungs­ schicht 5 vorgesehen.

Die einfachste Methode, die Dämpfungsschicht herzustellen, d. h. das Dämpfungsmaterial in das Wandlergehäuse 3 einzubringen, besteht darin, das thermoplastische Material mit einer temperatur­ geregelten oder ungeregelten Heißklebepistole direkt einzufüllen. Selbstverständlich wird hierbei ein thermoplastischer Kunststoff bzw. ein Schmelzkleber verwendet, der eine Schmelztemperatur von unter 300°C aufweist, um die Piezokeramik beim Einfüllen nicht durch zu hohe Temperaturen zu beschädigen.

Der Nachteil bei der Verwendung einer temperatur­ geregelten Heißklebepistole besteht allerdings darin, daß die Verfüllung nicht immer blasenfrei gelingt.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Dämpfungs­ material daher mit einer automatischen Schmelzkleb­ stoff-Vergußanlage in einem passenden Vergußwerkzeug unter einem Druck 2 × 10⁵-60 × 10⁵ Pa in das Gehäuse 3 eingefüllt. Das Werkzeug 7 ist hierzu in Fig. 1 angedeutet. Dieses Werkzeug besteht aus einem topf­ förmigen ersten Teil, in das das Wandlergehäuse 3 eingelegt wird, und einem deckelförmigen zweiten Teil, der oben aufgesetzt wird. In dem oberen Teil liegt der Angußkanal 6 in der Trennebene zwischen den beiden Werkzeughälften. Die Kupferdrähte 4 für die Kontak­ tierung des Ultraschallwandlers werden ebenfalls in die Trennebene gelegt. Der erwärmte Schmelzkleber bzw. thermoplastische Kunststoff wird über den Angußkanal in das Gehäuse eingepreßt. Das Werkzeug 7 wird während dieses Prozesses durch eine Wasserkühlung auf einer konstanten Temperatur gehalten, damit der Prozeß stabil bleibt. Das thermoplastische Dämpfungsmaterial wird bei einem Serienfertigungprozeß immer unter gleichem Druck und bei gleicher Temperatur eingefüllt, so daß ein reproduzierbarer Prozeß und somit Ultraschallwandler mit gleichen Dämpfungseigenschaften gewährleistet sind. Der hohe Druck beim Eingießen ermöglicht in Verbindung mit einer exakten Dosierung des Materials und einem optimierten Angußkanal einen blasenfreien Verguß des Wandlers.

Der Vorratsbehälter für das Dämpfungsmaterial, der hier nicht gezeigt ist, wird vorzugsweise mit Schutzgas beaufschlagt, um eine Aufnahme von Wasser im Dämpfungs­ material zu verhindern. Zur Verbesserung der Haftung des Dämpfungsmaterials an dem keramischen Wandlerkörper 1 und am Gehäuse 3 wird der Ultraschallwandler bzw. sein Gehäuse vor dem Verguß auf 50 bis 60°C temperiert.

Als Schmelzkleber für diesen Prozeß kommen beispielsweise Schmelzkleber auf Polyamidbasis in Frage, die bei Temperaturen von vorzugsweise 180°- 210°C in das Gehäuse eingefüllt werden.

Fig. 2 zeigt eine Alternative eines Ultraschall­ wandlers, bei dem an die elektrischen Verbindungsdrähte 4 zum Wandlerkörper 1 Kontaktstifte angecrimt sind. Diese können durch eine entsprechende Auslegung des Vergußwerkzeuges in definierter Position in die Dämpfungsschicht eingegossen werden, so daß die Anordnung gemäß Fig. 2 entsteht.

Ein eventuell zusätzlicher Verguß der Wandler­ rückseite mit einem Gießharzsystem verhindert das Eindringen von Fremdstoffen und Feuchtigkeit in das Dämpfungsmaterial bzw. die Dämpfungsschicht 5.

Der vorgeschlagene Herstellungsprozeß ermöglicht die automatisierte Produktion von sehr großen Stück­ zahlen besonders breitbandiger Ultraschallwandler, die bisher nur bei manueller Fertigung und somit mit schlechter Reproduzierbarkeit hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in den sehr niedrigen Herstellungskosten für das Dämpfungsmaterial.

Claims (11)

1. Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen, das sich als Hauptbestandteil aus einem ungeschäumten Schmelzkleber oder aus einem ungeschäumten thermo­ plastischen Kunststoff, der in Schmelzklebern eingesetzt wird, zusammensetzt.

2. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff ein Polyamid ist.

3. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, das zusätzlich Füllstoffe zur Erhöhung der akustischen Impedanz oder als Streukörper enthält.

4. Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper (1), der an einer Bodenfläche eines Gehäuses (3) angeordnet und an einer der Bodenfläche abgewandten Seite mit einer Dämpfungsschicht (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht (5) aus einem Dämpfungs­ material nach einem der vorangehenden Ansprüche besteht.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial in das Gehäuse (3) einge­ gossen ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial als zumindest ein vorgefertigter Körper vorliegt, der an den Wandlerkörper (1) angepreßt wird oder am Wandlerkörper (1) angeklebt ist.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Dämpfungsschicht (5) eine Schicht aus Gießharz zur Versiegelung des Dämpfungsmaterials aufgebracht ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler nach Anspruch 4 mit folgenden Schritten:

• - Schmelzen eines Dämpfungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3;
• - Einfüllen des geschmolzenen Dämpfungsmaterials in das Gehäuse mit dem Wandlerkörper; und
• - Abkühlen des Dämpfungsmaterials.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Dämpfungsmaterial unter einem Druck von 2 . 10⁵-60 . 10⁵ Pa in das Gehäuse mit dem Wandlerkörper eingefüllt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einfüllen des Dämpfungsmaterials das Gehäuse auf eine Temperatur von 50-60°C vorgewärmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abkühlen des Dämpfungsmaterials ein Gießharz auf das Dämpfungsmaterial aufgebracht wird.