DE2611780A1

DE2611780A1 - Ultraschallwandler und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2611780A1
Application number: DE19762611780
Authority: DE
Inventors: Walter Eli Levine
Original assignee: IMPROVECON CORP
Current assignee: IMPROVECON CORP
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1976-09-30
Also published as: GB1541748A; CA1071322A; US4081889A; DE2611780C3; DE2611780B2; US4015319A; FR2307428A1; US4163917A

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 261 1780

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadedcestraBe 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße « Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Improvecon Corporation
Port Huron, Michigan, USA

ültraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft Abstandsmeövorrichtungen und insbesondere einen Ultraschallwandler, der besonders geeignet ist zur Messung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder-Behälter, sowie eine Methode zur Herstellung eines solchen Ultras challwandlers.

Es gibt bereits den Vorschlag, Ultraschallmeßznethoden zur überwachung oder Messung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder-Behälter zu verwenden. Wie in der US-PS 2 943 296 gezeigt ist, kann ein Ultraschallwandler beispielsweise an der Oberwand des Vorratstanks befestigt und so ausgerichtet werden, daß er Impulse nach unten auf die obere Fläche gespeicherten Materials richtet und von dort reflektierte Echo-

609840/1022

München: Kramer. Dr.Wessr · Hirsch — Wiesbaden:Blumbach · Dr.Bergen · Zwirner

impulse empfängt, wobei die ausgesendeten oder Echoimpulse den "Kopfraum" oder die Luft zwischen der Tankoberseite und der Materialoberfläche durchlaufen. Geeignete elektronische Verarbeitungsschaltungen, typischerweise ein Analogsignalprozessor, sind vorgesehen, um eine Anzeige der MaterialhShe durch Messen der Hin- und -her-Laufzeit einer Sende/ Echo-Impulsfolge zu ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler, der sowohl wirtschaftlich herzustellen ist als auch zuverlässig arbeitet, verfügbar zu machen sowie eine Methode zu dessen Herstellung.

Ferner soll ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht werden, der während der Herstellung auf einfache Weise auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt werden kann.

Außerdem soll eine vereinfachte Methode geschaffen werden, um einen Ultraschallwandler genau auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abzustimmen.

Insbesondere soll ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht werden, der besonders geeignet ist zur Verwendung bei der Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder-Behälter.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 12 angegebenen Merkmale gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht, teilweise im Schnitt, eines Materialvorratstanks, in welchem das Material überwacht wird, wobei die erfindungsgemäß ausgebildete Antenne gegenüber dem Tank in vergrößertem Maßstab gezeigt ist;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht der in zwei Hälften zerschnittenen Wandlerantennenanordnung, die in
Fig. 1 gezeigt ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 eine Schnittansicht der seitlich in zwei Hälften aufgeteilten Wandlerbecheranordnung, wie sie in den Fig. 1,2 und 4 gezeigt ist, jedoch gegenüber Fig. umgekehrt, und zwar längs der Linie 5-5 in Fig. 4;

609840/1022

Fig. 6 eine graphische Kurve zur Darstellung der Resonanzfrequenzkennlinien der in Fig. 5 gezeigten Wandlerbecheranordnung; und

Fig. 7 und 8 zusammengesetzte Kurven, welche die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien verschiedener erfindungsgemäß aufgebauter Wandlerbecheranordnungen zeigen.

In Fig. 1 ist ein Materialvorratstank 10 gezeigt, der eine zylindrische Seitenwand 12 und ein Oberteil 14 aufweist. Ein Material 16, das flüssig oder fest sein kann, wie beispielsweise Getreide, Kohle oder Steine, ist im Tank 10 gespeichert und besitzt eine obere Oberfläche 18, die überwacht werden soll, um eine Anzeige für die Materialhöhe zu schaffen. Der Tank 10 kann natürlich aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein und eine geeignete Vorrichtung (nicht dargestellt) zum Einfüllen und Ablassen von Material 16 in den Tank bzw. aus dem Tank aufweisen.

Erfindungsgemäß ist eine Wandlerantennenanordnung 20 im Inneren des Tankes so angeordnet, daß sie von der Tankoberseite 14 herabhängt. Sie weist einen parabolischen Reflektor 22 und einen Ultraschallwandler auf, der im Reflektorbrennpunkt angeordnet ist. Der Reflektor 22 richtet oder reflektiert Ultraschallimpulse, die vom Wandler 24 nach oben austreten, nach

unten zur Oberfläche 18 hin, wie es 26 zeigt, und empfängt gleichermaßen Echoimpulse, die von der Oberfläche 18 nach oben reflektiert worden sind, und reflektiert oder richtet die Echoimpulse auf den Wandler 24. Die Sende- und Echoimpulse durchlaufen den "Kopfraum¹· oder die Luft zwischen dem Tankoberteil 14 und der Material oberfläche 18. Die Wandlerantennenanordnung 20 ist mittels eines Koaxialkabels 28 mit einer Materialhöhensteuerelektronik 30 verbunden.

Eine Ausführungsform einer Steuerelektronik 30, die zur Verwendung mit der Wandlerantennenanordnung 20 der vorliegenden Anmeldung geeignet ist, ist Gegenstand einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin, und zwar des Erfinders Ellery P. Snyder. Da die in dieser anderen Anmeldung beschriebene Steuerelektronik keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet und zu deren Verständnis nicht angegeben zu werden braucht, ist eine weitere Diskussion einer solchen Elektronik nicht erforderlich. Hinsichtlich einer ausführlichen Diskussion einer geeigneten Ausführungsform einer Steuerelektronik 30 wird auf diese andere Anmeldung verwiesen.

Der Aufbau einer derzeit bevorzugten Ausführungsform einer Wandlerantennenanordnung 20 ist ausführlich in den Fig. 2 bis 5 gezeigt, die alle maßstabsgerecht gezeichnet sind. Gemäß

6G9B4G/1G22

den Fig. 2 bis 4 ist ein Parabolreflektor 22 aus mit Fiberglas verstärktem Kunststoff gegossen und umfaßt ein integriertes zylinderförmiges Reflektorgehäuse150, das sich vertikal vom eigentlichen Reflektor 152 erstreckt. Innerhalb des Gehäuses 150 befindet sich ein Impedanzanpassungsimpulsumformer 154 mit Primär- und Sekundärwicklungen, die um einen toroidförmigen Kern aus ferromagnetischem Material in einem bevorzugten Sekundär/Primär-MLcklungsverhältnis von 5:1 gewickelt sind. Dadurch, daß auf solche Weise ein Impulsumformer in der Steuerelektronik-Wandler-Verbindungsleitung vorgesehen ist, werden Elektronik und Wandler jeweils an die Impedanz des Kabels 28 (Fig. 1) angepaßt, während gleichzeitig eine 25 : 1-Impedanzerhöhung zwischen der Kabelleitung und dem Wandler erreicht wird. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Leistungsübertragungswirkungsgrades zwischen der Elektronik und dem Wandler. Überdies erlaubt es die Anordnung des Impulsumformers beim Wandler, entfernt von der Steuerelektronik, zur Verbindung der Steuerelektronik mit dem Wandler ein Kabel niedriger Impedanz zu verwenden und die Hochspannungsschaltungen der Anlage innerhalb einer Schutzumhüllung bein Wandler unterzubringen. Den Impulsumformer in der Elektronik-Wandler-Verbindungsleitung vorzusehen, ist ein Gegenstand der oben erwähnten gleichzeitigen Anmeldung der Anmelderin vom Erfinder Snyder.

Die Umformerwindungen sind mit einer Anschlußleiste 155 verbunden und die Primärwicklung ist von da aus über ein Kabel 28 mit der Steuerelektronik 30 (Fig. 1) verbunden. Ein Thermistor 156, der eine Anzeige für die Umgebungstemperatur innerhalb des Vorratstanks 10 (Fig. 1) gibt, ist in der Wand des Gehäuses 152 eingebettet und über eine zweite Anschlußleiste 158 (Fig. 3) und ein Kabel 54 mit der Steuerelektronik 30 verbunden. Das auf diese Weise der Elektronik 30 vom Thermistor 154 zur Verfügung gestellte Signal kann verwendet werden, um Veränderungen der Geschwindigkeit der Ultraschallmeßimpulse in Luft zu kompensieren.

Eine Reflektorgehäuseabdeckung 160 ist auf das Gehäuse 152 gepreßt und an diesem befestigt. Es nimmt ein mit Gewinde versehenes Ende 164 eines Wandlerbefestigungsnippels 162 auf. Das Gehäuse 152 wird dann mit einem geeigneten Einkapselungsmittel, wie RTV, gefüllt. Ein zweites mit Gewinde versehenes Nippelende 166 kann eine Befestigungsmutter I68 aufnehmen, um die Wandlerantennenanordnung 20 sicher am Tankoberteil 14 zu befestigen. Ein akustischer Absorberblock 167 aus Fiberglas ist gegenüber dem Wandler 24 mittig im Reflektor 154 angeordnet, um die Erzeugung stehender Wellen zwischen dem Wandler und dem Reflektor zu unterbinden. Der Block 167 wird mittels eines Schirms 169 in Stellung gehalten.

609840/10 %

Drei parallele, hohle, nickelplattierte Rohre 170 aus Stahl oder rostfreiem Stahl sind am Reflektor 22 befestigt, z. B. durch Muttern 172 und Klemmringe 173, und halten den Ultraschallwandler 24 im Reflektorbrennpunkt. Ein dreieckiger Befestigungsblock 176 aus glasfaserverstärktem Kunststoff weist an den einzelnen Dreiecksspitzen Gewindelöcher 178 zur Aufnahme der jeweiligen mit Gewinde versehenen Enden der Tragrohre 170 auf. Das offene Ende einer ¥andlerbecheranordnung 174 ist axial in eine Mittelbohrung 180 im Block 176 gepreßt und mittels einer Schraube 177 in seiner Stellung festgelegt, die von fluchtenden Löchern 179, 181 im Gehäuse 176 bzw. einer Becherwand 190 aufgenommen wird, wobei das Loch 181 zur Aufnahme der Schraube mit einem Gewinde versehen ist. Ein Kabel 182 ist mit einem Anschlußblock 155 (Fig. 3) verbunden und dann durch eines der Halterohre 170 (Fig. 2) geführt, um die Sekundärwicklung des Umformers 154 mit Becheranordnungsanschlüssen 184, 186 (Fig. 4) zu verbinden. Der Hohlraum 188 (Fig. 2), der durch die Becheranordnung 174 und den Block 176 gebildet ist, ist mit RTV-Einkapslungsmittel gefüllt, und eine Abdeckung 189 ist am Block 176 befestigt, um den Hohlraum und die Rohrlöcher 178 abzudecken.

Nach Fig. 5 umfaßt die Wandlerbecheranordnung 174 ein rohrförmiges Gehäuse oder eine hohle Kapsel 190, die vorzugsweise

609840/10

aus Aluminium hergestellt ist und eine Kapselenden 192, 194 öffnende axiale zylindrische Bohrung 196 aufweist, und ein aus Schichten zusammengesetztes Schwingelement 195, das einen piezoelektrischen Kristall 198 mit sich gegenüberliegenden parallelen Vorder- und Hinterstirnflächen 197, 199 aufweist, der mittels einer Schicht 202 aus Haftmaterial an einer Wandleraufsatzplatte oder einer Membran 200 befestigt ist, die vorzugsweise aus Aluminium besteht. Wenn der Kristall 198 durch die Steuerelektronik 30 (Fig. 1) erregt wird, bilden der Kristall und die Membran 200 einen schwingenden "Verbundträger", der inneren Biegespannungen ausgesetzt wird. Die neutrale Biegeachse der Kristall/Membran-Kombination befindet sich vorzugsweise in der Haftschicht 202 oder innerhalb der Membran 200 dicht neben der Haftschicht, um sicherzustellen, daß der Kristall 198 entweder Zug- oder Druckspannungen ausgesetzt wird, jedoch nicht beiden gleichzeitig, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kristall- oder Membranbruchs oder ein Loslösen des Kristalls von der Membran verringert wird. Weitere Information hinsichtlich der Parameter und Konstruktionskriterien für den Aufbau eines Verbundträgers so, daß die neutrale Biegeachse erfindungsgemäß angeordnet ist, kann man "Strengths of Materials, Part 2, Advanced Theory and Problems", S. Timoshenko, 2. Ausgabe, 13. Druck, D. VanNostrand Co., Inc., New York, N.Y., entnehmen und außerdem sind weitere Einzel-

609640/1023

heiten nachfolgend angegeben. Das Haftmittel ist vorzugsweise leitend, wie silberdotiertes Epoxy- oder mit Silber angereichertes Lot. Die Membran 200 ist in das Ende 194 der Kapsel 190 mit Übermaßpassung eingepreßt, wie es ausführlicher nachfolgend erläutert ist, nachdem eine oder beide zueinander passenden Umfangsoberflächen mit einem geeigneten anaeroben Füllmittel beschichtet worden sind, um die Spalte zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand zu füllen und somit die mechanische Kopplung zwischen dem Element 195 und der Kapsel 190 durch Ausschalten von Grenzschichtlücken zwischen diesen zu verbessern.

Eine Anschlußleiste 204 ist an der Kapsel 190 mittels einer Schraube 206 befestigt, die in einer entsprechenden Gewindeöffnung 208 in der Kapselwand aufgenommen wird. Der Anschluß 184 ist elektrisch mit der Schraube 206 verbunden, und somit mit der Kapsel 190, der Membran 200, der Haftschicht 202 und der Kristallfläche 194, um diese Kristallfläche über ein Kabel 182 zu erden. Ein Anschluß 186 an der Leiste 204 ist über einen Leiter 210 und einen Lötverbindungspunkt 212 mit der rückwärtigen Kristallfläche 199 verbunden.

Ein akustisch absorbierender Block 214 füllt den Rest des Hohlraums 196 und weist vorzugsweise ein federndes Synthetikmaterial, wie RTV₁ und ein nichtleitendes Material in Teil-

2611730

chenform, wie Sand oder Quarz, auf, und zwar mit einem RTV/ Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5 : 1 Ms 20 : 1. Das in Teilchenform vorliegende Material, das in Fig. 5 durch Körner 215 angedeutet ist, erhöht die Dichte des Absorbers 214 und trägt dazu bei, die von der Kristallrückfläche 199 ausgehenden Ultraschallwellen zu brechen und zu absorbieren. Die RTV/Teilchen-Mischung verringert auch den Q-Wert des Wandlers durch Massezufügung und Veränderung der Federkonstanten des Vibratorelementes, an welchem die Mischung haftet. Der Q-Wert wird für das Gebiet der Wandler allgemein definiert als das Verhältnis der Wandlerresonanzfrequenz dividiert durch die Halbwertsbandbreite, d. h., die Bandbreite an demjenigen Punkt, an welche» der Wandler die halbe Leistung aufweist. Derzeit wird bei Materialhöhensteuerungsanwendungen ein Q im Bereich zwischen 14 und 17 bevorzugt. Für den Q-Wert der Becheranordnung ohne den RTV/ Teilchen-Absorber fand man generell einen Wert zwischen 70 und 90. Man fand auch, daß abhängig von der Art des im Absorber 214 verwendeten RTV-Harzes.der Absorber die Resonanzfrequenz des Wandlers ändert, indem er die Resonanzfrequenz entweder erhöht oder erniedrigt, beispielsweise um einen Betrag zwischen 200 und 300 Hz. Die Wirkung dieser Frequenzänderung auf die erfindungsgemäße Konstruktionsmethode wird nachfolgend ausführlich behandelt.

6Π9840/1022

Die bevorzugte Methode zur Herstellung des Wandlers 24 kann folgendermaßen umrissen werden. Der Kristall 198 wird zunächst an der Membran 200 befestigt. Dann wird der Leiter 210 auf der Rückfläche 199 des Kristalls 198 angelötet, wie es bei 212 dargestellt ist. Die Membran wird vorgereinigt und mit einem schnellwirkenden anaeroben Haftstoffeinbringungsverbesserer beschichtet. Die innere Oberfläche der Kapselbohrung 196 wird gleichermaßen behandelt. Die Membran wird dann über dem offenen Ende 194 der Kapsel 190 und in koaxialer Ausrichtung mit dieser angeordnet, wobei der Membranrand auf dem Kapselende ruht. Anaerobes Füllmaterial wird dann rund um den Umfang der Membran und auf der inneren Oberfläche der Bohrung 196 aufgebracht. Die Membran wird dann um einen vorbestimmten Anfangs-Distanzteilweg in die Kapsel gedrückt, wie nachfolgend erläutert ist.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Vorstehen der Membran zeigt. Diese Kurve ist charakteristisch für eine Ausführungsform des Wandlers 24, für den eine Membran aus Aluminium 2024-T4 mit einem Durchmesser von 28,0543 mm und einer Dicke von 2,4765 mm verwendet wird. Bei dem zur Aufzeichnung der Kurve in Fig. 6 verwendeten Kristall 198 handelte es sich um einen von Transducer Products, Inc. Torrington, Conn., Katalog Nr. LTZ-2, verkauften piezoelektrischen Kristall mit einem Durch-

messer von 25,3746 mm und einer Dicke von 2,1209 mm. Bei dem Haft- oder Befestigungsmittel 197 handelte es sich um silberdotierten leitenden Epoxykitt, der unter der Katalognummer K8-4238 von Hysol Division of Dexter Corporation, City of Industry, California, verkauft wird. Man fand, daß die Abmessung der Kapsel 190 geringe Bedeutung für die Kurvenform hat. In Fig. 6 ist die Frequenz in KHz in logarithmischem Maßstab in Abhängigkeit von Millimetern des Herausstehens der Membran aufgetragen, d. h., in Abhängigkeit von der Distanz, um welche die Membran aus dem Kapselende 194 herausragt. Diese Distanz ist in Fig. 6 durch die Bezugsziffer 216 angedeutet. Aus Fig. 6 sieht man, daß, wenn die Membran 200 in die Kapsel 190 gedruckt wird, die Resonanzfrequenz stetig zunimmt, bis die äußere Membranfläche bündig mit dem Kapselende 194 abschließt. Wenn die Membran 200 weiter über den Punkt des Bündiganliegens hinaus in die Kapsel gedrückt wird, bleibt die Resonanzfrequenz praktisch konstant.

Es wird nun zur bevorzugten Methode des Zusammenbaus des Wandlers 24 zurückgekehrt. Die Membran 200 wird teilweise um eine anfängliche vorbestimmte Distanz in die Kapsel 190 gedrückt, beispielsweise solange, bis die Distanz 216 etwa gleich 0,508 mm ist. Ein Signalgenerator mit variabler Frequenz und ein Oszillograph werden dann über dem Kristall zwischen dem Leiter 210 und der Kapsel 190 angeschlossen. Die

609840/1022

Generatorausgangsfrequenz wird dann variiert, bis durch Beobachtung auf dem Oszillographen der Punkt minimaler Signalamplitude gefunden ist, der bei der Resonanzfrequenz der Anordnung auftritt. Während man die Anordnung auf konstanter Temperatur hält, wird dann die Membran 200 weiter in die Kapsel 190 gedruckt, wodurch die Resonanzfrequenz der Anordnung erhöht wird, bis ein Wert f_Q für die leere Becheranordnung erreicht ist. Diese Vorgang wird vorzugsweise in einer Reihe diskreter Schritte durchgeführt, während das Oszillographausgangssignal beobachtet und derSignalgenerator neu eingestellt wird. Der Anschlußstreifen 204 wird dann an der Kapsel 190 befestigt und der Leiter 210 wird am Anschluß 186 angelötet.

Aus Gründen der Temperaturstabilität, die nachfolgend in Verbindung mit Fig. 8 ausführlich beschrieben werden, wird die derzeit für den Absorber 214 bevorzugte Einfüllverbindung verwendet, die von der Dow Corning Corp. of Midland, Michigan unter der Bezeichnung 96-083 RTV auf dem Markt ist. Wenn der Absorber 214 das 96-083 RTV aufweist, bewirkt dies eine Erhöhung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbechers 174 gegenüber der ursprünglich abgestimmten Resonanzfrequenz der leeren Becheranordnung f_Q um dnen Betrag zwischen 200 bis 300 Hz. Folglich wird bei dem betrachteten Beispiel, bei welchem die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz ist

6098407102a

und das bevorzugte 96-083 RTV verwendet wird, zunächst eine Resonanzfrequenz f_Q der leeren Becheranordnung zwischen 19,7 bis 19,8 KHz erreicht (Fig. 7), wenn ein Vorstehabstand 216 zwischen 0,5588 und 0,635 mm besteht. 3118 RTV von Dow Corning Corporation ist bei erfindungsgemäßen Arbeitsausführungsformen ebenfalls verwendet worden, und es bewirkt eine Verringerung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbechers um 200 bis 300 Hz. Was Fig. 7 betrifft, für welche 3118 RTV im betrachteten Beispiel zu verwenden ist und bei welcher die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz beträgt, liegt die Vorstehdistanz 216 des leeren Bechers zwischen 0,127 und 0,2286 mm.

Es wird dann ein Test durchgeführt, um den Q-Wert der Anordnung zu bestimmen. Ein Mikrophon wird außerhalb des Bechers in Nachbarschaft der Membran 200 unter einem Winkel von bis 70° vor der Vorderfläche der Membran angeordnet. Der Signalgenerator mit variabler Frequenz wird wieder bei der vorbestimmten Resonanzfrequenz f_Q und bei einer vorbestimmten Spannungsamplitude, beispielsweise 20 V Wechselstrom, betrieben. Das Ausgangssignal des Mikrophons wird dann unter Verwendung eines Voltmeters und eines geeigneten Verstärkers abgelesen, und zwar üblicherweise in Millivolt. Das Verhältnis des Mikrophonausgangssignals zum Kristalleingang ist nicht von Bedeutung. Das Mikrophonausgangssignal wird dann

609840/1022

mit /2?2 oder etwa 0,707 multipliziert. Die Frequenz des Signalgenerators wird dann erhöht, bis das Mikrophonausgangssignal bei diesem niedrigeren Ausgangswert liegt, d. h., 0,707 mal so groß wie die Resonanz-Mikrophonausgangsspannung ist. Dies tritt bei einer oberen Frequenz Ij. auf. Die Generatorfisiuenz wird dann unter die Resonanzfrequenz abgesenkt, bis das Mikrophonausgangssignal wieder das 0,707-fache seines Resonanzwertes zeigt. Dies tritt bei einer niedrigeren Frequenz fp auf. Der Q-Wert für die Anordnung kann dann bestimmt werden als gleich:

^fo

Wie vorstehend angegeben, liegt dieses Q normalerweise oberhalb 70.

Um den Q-Wert durch Belastung der Rückseite 199 des Kristalls 198 zu verringern, wird nun die Mischung aus RTV und Material in Teilchenform bereitet. Wenn der berechnete Q-Wert der leeren Becheranordnung dicht bei 70 liegt, erzeugt ein RTV/ Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 10/1 eine ausreichende Kristallbelastungj um ein gewünschtes endgültiges Q von 14 bis 17 zu erreichen. Für höhere Werte des berechneten Q ist ein höheres RTV/Teilchen-Verhältnis erforderlich. Ein

20/1-Verhältnis ist das allgemeine Maximum. Diese nach Gewohnheit oder Erfahrung berechnete Mischung wird in das Kapselende 192 gegossen, bis der Hohlraum 196 im wesentlichen gefüllt ist, d. h., bis lediglich die Anschlüsse 184, 186 freiliegend bleiben. Wie vorstehend angegeben, senkt die RTV/Teilchen-Mischung nicht nur das Q auf den gewünschten Wert, sondern sie verändert auch die Resonanzfrequenz der Anordnung, d. h. sie erhöht oder erniedrigt die Resonanzfrequenz um 200 bis 300 Hz, was von der Art des verwendeten RTV abhängt, innerhalb sehr enger Grenzen, deren Mitte bei der gewünschten Resonanzfrequenz von 20 KHz liegt.Dies gilt natürlich unter der Annahme, daß alle anderen Parameter, wie Bechervolumen usw., konstant bleiben. Nachdem die RTV-Teilchen-Mischung ausgehärtet ist, wird die Anordnung in eine geeignete Beschichtungsverbindung getaucht, um die Aluminiummembran 200 und die Kapsel 190 gegen Korrosion zu schützen. Alternativ und vorzugsweise können die Kapsel 190 und die Membran 200 vor dem Zusammenbau vorbeschichtet werden, so daß Änderungen hinsichtlich der Beschichtungsdicke beim zuvor beschriebenen Abstimmvorgang ausjustiert werden können. Die Wandlerbecheranordnung 174 ist dann vollständig und bereit, um in den Block 176 gepreßt und am Reflektor 22 befestigt werden zu können, wie es in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist.

609840/1022

Um die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Abstimmethode hinsichtlich Verschleiß und Reißen des Schwingelementes des Wandlers am vorteilhaftesten durchzuführen, ist es zu bevorzugen, ein geschichtetes, zusammengesetztes Schwing- oder Vibratorelement 195 mit kreisförmiger Abmessung vorzusehen, bei welchem das piezoelektrische Element in Form eines piezokeramischen Kristalls 198 das innerste Teil des Vibratorelementes darstellt, hinter dem sich die RTV/Teilchen-Masse 215 befindet, und das äußerste Teil ist die Metallmembran 200, so daß diese einen Schutz und eine Dichtung für die inneren Wandlerkomponenten und insbesondere den Kristall bildet. Der Durchmesser der Membran 200 ist größer gemacht als derjenige des Kristalls 198, so daß der Metallrand der Membran der einzige Teil des Vibratorelementes ist, der während der erfindungsgemäßen Übermaßpreßsitz-Eingriffsabstimmung und der Befestigungsmethode gemäß Erfindung direkt mit der Innenwand der Wandlerkapsel 190 in Eingriff kommt. Ist diese bevorzugte Konfiguration gegeben, sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Durchmesser und die Dicke des Kristalls mit dem Durchmesser und der Dicke der Membran derart korreliert, daß, wenn man die Parameter der Elastizitätsmodule des Kristall- und des Membranmaterials, das Volumen dieser Komponenten, die Bäerkonstante und Masse

S09840/102a

dieser Komponenten, die gewünschte Arbeitsfrequenz des Wandlers und Abstrahlenergie- und Wirkungsgradfaktoren in Erwägung zieht, das Vibratorelement 195 vorzugsweise als ein Verbundträger konzipiert ist, dessen Knotenpunkte des ersten Biegeschwingungsmoduls (Schwingung längs der Hauptachse der Anordnung, durch die Kristallerregung induziert) am Membranumfang oder in dessen dichter Nähe auftreten, um dadurch während des Wandlerbetriebs auftretende Spannungen am Kristall zu vermindern. Diese Anordnung der Knotenpunkte wirkt auch mit dem beschriebenen ausjustierbaren Übermaßpreßsitz-Abstimmvorgang dadurch zusammen, daß die Resonanzfrequenz des Verbundträgers empfindlich gemacht wird gegenüber dem Ausmaß der mechanischen Kopplung zwischen dem Umfang der Membran und der mit dieser im Eingriff stehenden Wand der Wandlerkapsel.

Die zuvor genannenten Faktoren werden auch bei der Auswahl der korrelierten Abmessungen von Kristall 198 und Membran 200 in Betracht gezogen derart, daß die neutrale Biegeachse des Verbundträgers aus dem Kristall herausgeschoben wird und entweder innerhalb oder dicht neben dem zwischen. Kristall und Membran befindlichen Haftmaterial liegt. Diese Anordnung der neutralen Achse des Vibratorelementes stellt sicher, daß der Kristall während seiner Biegung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung nicht gleichzeitig Zug- und Druckspannungen

609840/1022

ausgesetzt wird. Wenn sich das zusammengesetzte Vibratorelement 195 aus seinem normalen, flachen Ruhezustand nach oben oder in die Kapsel 190 biegt, wird der Kristall 198 somit gänzlich Druckspannungen ausgesetzt. Gleichermaßen wird der Kristall während der Auslenkung des Elementes 195 aus dem flachen Zustand nach außen aus der Kapsel 190 heraus lediglich Druckspannungen ausgesetzt. Aufgrund dieser Arbeitsweise besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, daß der Kristall durch die mechanischen Vibratorspannungen beschädigt wird, die durch die piezoelektrische Belastung des Verbundträgers induziert werden. Bei einem speziellen Beispiel, das den vorstehenden Betrachtungen entsprechend aufgebaut war, erhielt man optimale Ergebnisse bei Verwendung eines piezokeramischen Kristalls mit einem Durchmesser von 27,94 mm und einer Dicke von 2,032 mm und einer Aluminiummembran mit einem Durchmesser von 28,067 mm und einer Dicke von 2,09677 mm. Bei einer anderen Ausführungsform mit generell gleicher Konfiguration erhielt man akzeptable Resultate bei Verwendung eines piezokeramischen Kristalls mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Dicke von 2,032 bis 2,0828 mm in Verbindung mit einer Aluminiummembran, die einen Durchmesser .von 28,067 mm und eine Dicke im Bereich von 2,45872 bis 2,4638 mm aufweist.

Wenn man die zuvor beschriebenen Ergebnisse, d. h., die Ausschaltung von Spannungsumkehrungen im Kristall, auch dadurch erhalten kann, daß man die neutrale Biegeachse des zu-

609840/10aa

sammengesetzten Elementes weiter in die Membran verschiebt, versteht es sich, daß, wenn man dies tut, die Größe der auf den Kristall ausgeübten Spannungen proportional zum Abstand der neutralen Achse vom Kristall zunimmt. Zusätzlich führt ein Aufbau, bei welchem die neutrale Biegeachse in einem wesentlichen Ausmaß ins Innere der Membran gelegt wird, zu einer Erhöhung der Materialkosten aufgrund der damit einhergehenden Vergrößerung der Membrandicke. Deshalb liegt die neutrale Achse bei einer optimalen Konfiguration in der Schicht des Haftmaterials zwischen dem Kristall und der Membran, wenn auch eine Anordnung der Achse innerhalb der Membran dicht neben der Haftschicht ebenfalls die meisten der zuvor diskutierten verbesserten Ergebnisse erzeugt.

Die durch die Erfindung verfügbar gemachte Abstimmethode durch veränderliches Einschieben kann auf Vibrator_elemente angewendet werden, deren Struktur und Konfiguration von derjenigen verschieden ist, wie sie in Fig. 5 bei 195 gezeigt ist. Beispielsweise kann das Vibratorelement genau ein Trägerglied in Form eines piezoelektrischen Kristalls aufweisen, der entweder direkt mit der Wand der Wandlerkapsel in Eingriff gebracht werden kann oder der eine geeignete Kapselstruktur mit metallischem Rand aufweist, um den Kristall während des Einsetzens und während dessen Über-

6G9840/102Ä

maßpaßbefestigung in der Kapsel zu schützen. Auch ist es möglich, wenn aush weniger vorzuziehen, die Abstimmwirkung durch andere Mittel zur Veränderung des Ausmaßes der mechanischen Kopplung zwischen dem Umfang der Membran und der damit zusammenwirkenden Gehäuseträgerstruktur zu erreichen. Beispielsweise kann der Kristall mit beweglichem oder Bewegungssitz in eine Metallkapsel bis zu einer vorbestimmten Stelle in dieser eingesetzt und dann die Wand der Kapsel kalt bearbeitet oder auf andere Weise in diskreten Stufen ausgebildet werden, um den Membranumfang mit Preßsitz aufzunehmen und dadurch stufenweise das axiale Ausmaß der Berührung zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand zu erhöhen, bis die mechanische Kopplung zwischen diesen die gewünschte Arbeitsfrequenz des Vibratorelements erzeugt. Das zuvor beschriebene Festsitz- oder Übermaßpaßsitzverfahren mit einstellbarer Einfügung wird jedoch vom Standpunkt eines leichten Zusammenbaus und einer Vereinfachung der Befestigungen und der erforderlichen Werkzeugausrüstung bevorzugt.

Die bevorzugte Orientierung der Kristall/Membran-Platte im Wandler ist bei der hier angegebenen Anwendung derart, daß der Kristall bezüglich der Membran im Inneren der Kapsel angeordnet ist, und zwar sowohl aufgrund der zuvor erwähnten Schutzeigenschaften als auch um die elektrischen Verbindungen

609840/1022

zum Kristall zu ermöglichen und zu schützen. Die Abstimmmethode kann jedoch auch praktiziert werden, wenn die Orientierung der Platte umgekehrt ist; d. h., wenn der Kristall gegenüber der Kapsel als äußerster Teil des Verbundträgers angeordnet ist, insbesondere bei jenen Anwendungen, bei welchen die Schutzfaktoren nicht zum Tragen kommen.

Bei den zuvor offenbarten Ausführungsformen werden für die Befestigung des Kristalls an der Membran Haftbefestigungsmethoden bevorzugt, und zwar im Hinblick auf eine leichte Herstellung. Es können jedoch auch andere Methoden und Strukturen zur Befestigung des Kristalls an der Membran verwendet werden, vorzugsweise jene, welche eine direkte Seite-anSeite-Berührung zwischen dem Kristall und der Membran ergeben, um Energieverluste durch das dazwischenliegende Haftmaterial zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Montage mittels eines geeigneten mechanischen Befestigungselementes, wie es im Stand der Technik bekannt ist, verwendet werden, ohne die Vorteile des erfindungsgemäßen Abstimmverfahrens oder auch jene Vorteile, die der zuvor beschriebenen speziellen Kristall/Membran-Trägergeometr:.e zuzuschreiben sind, unwirksam zu machen. Solche mechanisch befestigten zusammengesetzten Vibratorelemente erfordern jedoch eine enge Steuerung der Teiletoleranzen und der mechanischen Spannungen im zu-

609840/1022

sammengebauten Zustand. Deshalb stellen die zuvor erwähnten Haftbefestigungsmethoden die derzeit bevorzugte Art für den Aufbau des Kristall/Membran-Vibratorelementes dar.

Es hat sich in Verbindung mit den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, daß sowohl das in der Haftschicht 202 verwendete Material als auch der Grad des Festsitzes zwischen Membran 200 und Kapsel 190 je eine Auswirkung auf das Temperaturverhalten der gesamten Wandlerbecheranordnung 174 hat. Fig. 7 ist eine zusammengesetzte graphische Darstellung, welche die Temperaturkennlinien von drei unterschiedlich aufgebauten Ausführungsformen der Wandlerbecheranordnung vor dem Einfügen des Absorbers 214 zeigt. In Fig. ist die Resonanzfrequenz in KHz in linearem Maßstab in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur in ° C aufgetragen. Das Hinzufügen des Absorbers 214 zur Becheranordnung erniedrigt die jeweiligen Kurven der Fig. 7, hat jedoch ansonsten keine Auswirkung auf die dargestellten Kennlinien.

In Fig. 7 zeigt Kurve 220 die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer leeren Wandlerbecheranordnung, bei welcher eine Membran mit einem Durchmesser von 28,0543 mm in eine Kapsel mit einem Bohrungsdurchmesser von 27,98318 mm vollständig eingepreßt ist, d. h., bis zum Punkt bündigen Abschließens, bei welchem die Distanz 216 (Fig. 5) gleich Null ist. Somit ist der Betrag des Übermaßes bei der der Kurve 220 zugeord-

609840/1022

neten Ausführungsform 0,07112 mm. Bei der Ausführungsform gemäß Kurve 220 war der piezokeramische Kristall an der Membran befestigt mittels Silber enthaltendem Epoxy, wie es zuvor in Verbindung mit Fig. 6 angegeben worden ist.

Kurve 224 in Fig. 7 zeigt die Temperaturkennlinie eines leeren Wandlerbechers, bei welchem eine Membran mit einem Durchmesser von 28,08478 mm in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,99588 mm gepreßt ist, so daß der Betrag des Übermaßes gleich 0,0889 nun ist. In gleicher Weise zeigt Kurve 226 die Kennlinie bei einer Membran mit einem Durchmesser von 28,08478 mm, die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 28,0035 mm gepreßt ist, so daß das Membran/ Kapsel-Übermaß gleich 0,08128 mm beträgt (durch die Umrechnung von Zoll in mm können Rundungsfehler aufgetreten sein). Bei den Ausführungsformen gemäß 224 und 226 waren die Kristalle an den Membranen jeweils nicht mittels leitendem Epoxy, sondern mittels mit Silber angereichertem Lot (SN62) befestigt. Erstens stellt man im Hinblick auf die Kurven 224, 226 fest, daß die Verwendung von mit Silber angereichertem Lot anstelle von Epoxy als Haftbefestigungsmittel eine deutliche Auswirkung auf die Wandlertemperaturkennlinie hat und dazu neigt, die Kennlinie eben zu machen und die Wandlerresonanzfrequenz über einen ausgedehnten Temperaturbereich stabiler zu machen. Man stellt auch fest, daß der strammere

609840/1022

Festsitz infolge Übermaßes bei der Ausführungsform gemäß gegenüber demjenigen gemäß 226 eine zusätzlich erhöhte . Ebenungswirkung auf die Kennlinie hat, was zu einer Kurve 224 führt, die über einen Umgebungstemperaturbereich von fast 100° C im wesentlichen flach oder eben ist. Als ein Bemessungskriterium hat man gefunden, daß das maximale Übermaß zwischen Membran und Kapselwand wünschenswert ist, bei welchem der Punkt erreicht wird, an welchem die Teile kaltgeschweißt werden, ohne daß jedoch eine dauernde Deformierung entweder der Membran oder der Kapsel verursacht wird.

Es hat sich gezeigt, daß der Temperaturbereich, über welchen der Wandler wirksam arbeitet, und die Stabilität des Wandlers bei irgendeiner gegebenen Temperatur bedeutend verbessert werden, wenn der Absorber 214 unter bestimmten ausgewählten Zeit- und Temperaturbedingungen erwärmt vird, um zu bewirken, daß die gesamte Masse des flüssigen RTV innerhalb der Becheranordnung 174 aushärtet, und zwar bei einer Temperatur oberhalb der maximalen Umgebungstemperatur, bei welcher der Wandler erwartungsgemäß arbeiten soll. Man glaubt, daß diese Erscheinung wenigstens teilweise auf der Tatsache beruht, daß die RTV-Gummiverbindung, wenn sie ausgehärtet ist, bei der Aushärtungstemperatur im Inneren im wesentlichen spannungsfrei ist. Irgendeine Erhöhung der Wandlerbetriebstemperatur oberhalb der Aushärtungstemperatur bewirkt, daß sich die zuvor ausgehärtete Verbindung ausdehnt, einen Druck

609840/1022

auf die Rückseite des Kristalls ausübt und dadurch die Resonanzfrequenz der gefüllten Becheranordnung erniedrigt. Umgekehrt bewirkt jegliche Verringerung der Temperatur unter die Aushärtungstemperatur, daß sich die ausgehärtete RTV-Verbindung zusammenzieht und dadurch den Druck auf die Rückseite des Kristalls verringert. Man hat gefunden, daß die Wirkung der Umgebungstemperatur-Änderungen auf die Wandlerresonanzfrequenz unterhalb der Aushärtungstemperatur der Verbindung weniger bedeutend als oberhalb dieser Temperatur ist. Ein Beispiel für diese Erscheinung zeigt Fig. 8, bei welcher es sich um eine zusammengesetzte graphische Darstellung handelt, welche die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien zweier gefüllter Wandler mit unterschiedlichen RTV-Füllverbindungen und unterschiedlichen effektiven Aushärtungstemperaturen zeigt. In Fig. 8 ist die Resonanzfrequenz in KHz in Abhängigkeit von der Temperatur in ° C dargestellt, und zwar beide in linearer Skala.

In Fig. 8 zeigt Kurve 230 die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinie eines gefüllten Wandlerbechers 174 (Fig. 5) mit einer einen Durchmesser von 28,03906 mm aufweisenden Membran, die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,9857 mm gepreßt ist, wobei die Anordnung mit 3118 RTV von Dow Corning gefüllt ist. Der gewichtsmäßige Prozentsatz des in Teilchen-

609840/1022

form vorliegenden Materials 215 (Fig. 5) im Absorber 214 kann die Kurven in Fig. 8 aufwärts und abwärts verschieben, hat jedoch keine Auswirkung auf die Steigung der Kurven und wird aus diesem Grund nicht weiter in Verbindung mit Fig. 8 diskutiert. Eine Kurvenschar für verschiedene Teilchengewichtsverhältnisse kann von Fachleuten für jede in Betracht kommende RTV-Verbindung leicht entwickelt werden. Die zum Kurvenbeispiel 230 gehörende Wandlerbecheranordnung mit Kapsel, Vibratorelement und flüssigem RTV-Absorber wurde eine Stunde lang in einen auf 125° C vorgeheizten Ofen gegeben. Die "Trigger"-Temperatur des 3118 RTV, d. h., die minimale Umgebungstemperatur, bei welcher das RTV aushärtet, liegt jedoch beträchtlich unterhalb von 125° C, was es einem Teil der Verbindung erlaubt, vor dem Erreichen der Ofentemperatur auszuhärten. Deshalb hat die Kurve 230 eine im wesentlichen gleichförmige Steigung zwischen Raumtemperatur (25° C) und etwa 70° C. Oberhalb dieser Temperatur fällt die Kurve rasch mit einer Rate von über 160 Hz/⁰ C ab. Das scharfe "Knie" 232 der Kurve 230 zeigt, daß die RTV-Verbindung eine effektive Aushärtungstemperatur oberhalb 70° C hatte.

Kurve 234 in Fig. 8 zeigt die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinie eines Wandlers mit einer einen Durchmesser von 28,0594 mm aufweisenden Membran, die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,9806 mm gepeßt ist, und die An-

609840/1022

Ordnung ist dann unter Verwendung von 96-083 RTV von Dow Corning gefüllt worden. Die Anordnung einschließlich des flüssigen RTV wurde wieder etwa eine Stunde lang in einen auf 125° C vorgeheizten Ofen gegeben. Die Triggertemperatur des 96-083 RTV liegt jedoch in der Nähe von 125° C, so daß die gesamte Verbindung effektiv bei dieser Temperatur aushärtete. Folglich weist die Kurve 234 über einen Arbeitsumgebungstemperaturbereich von 25 bis 125° C eine im wesentlichen gleichförmige Neigung von etwa 8 Hz/⁰ C auf.

Aus vorausgehender Beschreibung in Verbindung mit den Fig. und 8 ersieht man folgendes: Wenn die Arbeitsumgebungstemperatur des Wandlers im voraus bekannt ist, kann der Wandler beim Zusammenbau auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Wenn es beispielsweise bekannt ist, daß ein bestimmter Wandler in einer Atmosphäre mit einer Umgebungstemperatur von 80° C arbeiten wird und eine Resonanzfrequenz von 20,0 KHz haben soll, wird zunächst Kurve 234 in Fig. 8 oder eine dieser ähnliche Kurve, die jedoch für den bestimmten zu verwendenden Membran- und Bohrungsdurchmesser aufgezeichnet ist, herangezogen, um die gewünschte Resonanzfrequenz bei Raumtemperatur (25° C) zu erhalten. Von diesem Wert werden 250 Hz (d. h., zwischen 200 und 300 Hz) abgezogen, um die Raumtemperatur-Resonanzfrequenz des Wandlerbechers ohne den Absorberblock (unter Verwendung von

609840/1022

96-083 RTV) zu erhalten. Dann wird Fig. 6 oder eine der Fig. ähnliche Kurve,¹ die jedoch für die zu verwendende spezielle Membran und Kapsel aufgezeichnet ist, herangezogen, um die zum Erhalt der gewünschten Raumtemperatur-Resonanzfrequenz des leeren Bechers erforderliche Membranherausragung zu bestimmen. Der Zusammenbau des Wandlers kann dann entsprechend der zuvor beschriebenen Methode vor sich gehen. Wenn die maximale Arbeitstemperatur des Wandlers unterhalb 70° C, der effektiven Aushartungstemperatur des Wandlers gemäß Beispiel nach Kurve 230, liegen soll, arbeitet dieser Wandler natürlich zufriedenstellend, wenn er 3118 RTV enthält.

Das im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene bevorzugte Zusammensetzverfahren ist im wesentlichen umkehrbar, d. h., wenn die Membran 200 zu weit in die Kapsel 190 gepreßt worden ist, kann sie aus der Kapsel zurückgedrückt werden, um die mechanische Kopplung zwischen der Membran und der Kapselwand zu reduzieren, und zwar entweder schrittweise, um die gewünschte Resonanzfrequenz durch "Zurücklaufen" herab auf der Kurve der Fig. 6 zu erreichen, oder durch vollständiges Herausnehmen der Membran aus der Kapsel und erneuten Beginn in beschriebener Weise.

609840/1022

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Improvecon Corporation

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer offenen Kapsel und einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement (195) auf einem offenen Ende (194) der Kapsel (190) und koaxial zu dieser angeordnet wird und daß die mechanische Kopplung zwischen dem Vibratorelement und der Kapsel solange geändert wird, bis die Resonanzfrequenz des mit der Kapsel vereinten Vibrationselementes gleich einer ersten vorgewählten Frequenz ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischung aus RTV und einem nichtleitenden in Teilchenform vorliegenden Material in einem vorbestimmten Verhältnis gebildet und diese Mischung

München: Kramer · Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

609840/ 1022

in ein anderes Ende der Kapsel, das dem ersten Ende gegenüberliegt, eingefüllt wird, bis die Mischung die Kapsel im wesentlichen ausfüllt, wodurch die Resonanzfrequenz auf eine zweite vorgewählte Frequenz eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das RTV und das teilchenförmige Material in einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 für die Herstellung eines Wandlers mit einer vorgewählten maximalen Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen die gesamte Mischung innerhalb der Kapsel oberhalb der maximalen Betriebstemperatur ausgehärtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Rahmen der Veränderung der mechanischen Kopplung zwischen Vibratorelement und Kapsel das Vibratorelement mit einem Übermaßpreßsitz mit variabler Distanz in das erste Ende der Kapsel eingefügt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Vibratorelement in einer

809840/1022

Reihe von progressiven Schritten in das erste Kapselende gedruckt wird, bis die Resonanzfrequenz gleich der ersten vorgewählten Frequenz ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vibratorelement verwendet wird, das einen piezoelektrischen Kristall und eine Membran umfaßt, und daß eine Fläche des Kristalls durch Haftverbindung an der Membran befestigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein anaerobes Füllmittel um den Membranumfang angeordnet wird,' bevor das Vibratorelement weiter in die Kapsel gedrückt wird.
9. Abstimmverfahren für einen Ultraschallwandler mit einer offenen hohlen Kapsel und einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement mittels Abstimmung der die Kapsel und das Vibratorelement umfassenden Masse auf eine vorgewählte Wandlerresonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) das Vibratorelement mittels Preßsitz um eine anfängliche vorbestimmte Distanz (216) in ein offenes Ende der Kapsel gesetzt wird, wobei die Distanz zum Erhalt einer

609 840/1022

Resonanzfrequenz innerhalb eines gegebenen Bereiches unterhalb der vorgewählten Frequenz berechnet wird, und

(b) dann das Vibratorelement weiter in die Kapsel hineingedrückt wird, und zwar lediglich in demjenigen Ausmaß, das zur Erhöhung der Resonanzfrequenz der Masse auf eine erste vorgewählte Resonanzfrequenz erforderlich ist.
10* Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanzfrequenz der Masse gemessen wird, wenn das Vibratorelement im Preßsitz in die Kapsel gedrückt wird, um zu bestimmen, wann die erste vorgewählte Resonanzfrequenz erreicht ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Messung

(c) an das Vibratorelement ein Signalgenerator variabler Frequenz und ein Oszillograph angeschlossen werden,

(d) die Ausgangsfrequenz des Generators variiert wird und

(e) bestimmt wird, bei welcher Frequenz die Signalamplitude über dem Vibratorelemer.t am niedrigsten ist, wobei diese Frequenz die Resonanzfrequenz der Masse ist.
12. Ultraschallwandler mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch eine hohle

609640/1022

Kapsel (190) und ein einen piezoelektrischen Kristall (198) aufweisendes Vibratorelement (195), das axial von einem offenen Ende der Kapsel aufgenommen und mechanisch mit dieser gekoppelt ist, und daß die vorgewählte Resonanzfrequenz eine Funktion der mechanischen Kopplung zwischen dem Vibratorelement und der Kapsel ist.
13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapsel Zylinderform aufweist, daß das Vibratorelement gegenüber der Kapselachse kreisförmig ist, daß das Vibratorelement bei der vorgewählten Resonanzfrequenz im ersten Biegeschwingungsmode arbeitet und daß der Knotenpunkt des ersten Biegeschwingungsmoden am Umfang des Vibratorelementes liegt.
14. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement den piezoelektrischen Kristall aufweist sowie eine flache kreisförmige Membran und eine Vorrichtung zur Haftbefestigung des Kristalls aa derMembran längs sich gegenüberliegenden Kristall- und Membranob erflachen.
15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich-i net, daß die neutrale Biegeachse des Vibratorelementes innerhalb der Haftbefestigungsvorrichtung oder innerhalb

60984071022

der Membran dicht neben der Haftbefestigungsvorrichtung (197) liegt.
16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandurchmesser größer als der Kristalldurchmesser ist und daß der Membranumfang mechanisch mit der Kapsel gekoppelt ist.
17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichn e t , daß der Membranumfang mit der Kapsel mittels eines Preßsitzes gekoppelt ist.
18. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im Inneren der Kapsel angeordnet ist und daß ein akustisches Dämpfungsmittel (214) vorgesehen ist, das mit einer von der Membran entfernten Fläche des Kristalls gekoppelt ist.
19. Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel RTV aufweist, das mit einem nichtleitenden teilchenförmigen Material gemischt ist.
20. Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich-

609840/1022

-J7 -

net, daß das RTV und das teilchenförmige Material in einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt sind.
21. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß das Haftmittel elektrisch leitend ist.
22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß das Haftmittel mit Silber angereichertes Lot aufweist.
23. Wandler nach Anspruch 19, zur Verwendung in einer Umgebung mit einer maximalen Umgebungstemperatur, dadurch gekennzeichnet , daß das RTV eine ausgehärtete Gummimasse mit einer effektiven Aushärtungstemperatur aufweist, die größer als die maximale Umgebungstemperatur ist.
24. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß das Vibratorelement rings um seinen Umfang mit der Kapsel durch einen Übermaßpreßsitz mechanisch gekoppelt ist.
25. Ultraschallwandler mit eine piezoelektrischen Kristall, einer Wandlermembran und einer Haftmaterialschicht zur

609840/1022

Haftbefestigung des Kristalls an der Membran längs sich gegenüberliegender Oberflächen des Kristalls und der Membran, dadurch gekennzeichnet , daß die neutrale Biegeachse der Membran/Kristall-Kombination innerhalb der Haftschicht oder innerhalb der Membran dicht neben der Haftschicht angeordnet ist.
26. Ultraschallwandler nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet , daß die Haftschicht mit Silber angereichertes Lot aufweist.
27. Verfahren zur Absenkrung des Q-Wertes eines Ultraschallwandlers mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz f_Q, der eine offene hohle Kapsel aufweist sowie ein einen piezoelektrischen Kristall umfassendes Vibratorelement, das mit einem offenen Ende der Kapsel mechanisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) der Q-Vert des Wandlers bei der vorgewählten Resonanzfrequenz gemessen wird,

(b) eine Mischung aus RTV und einem nichtleitenden teilchenförmigen Material in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis hergestellt wird,

(c) die Mischung in die Kapsel gegossen wird, und zwar an dem von ihrem ersten Ende entfernt liegenden offenen Ende, und

6 0 9 8 4 0/1022

(d) die Mischung innerhalb der Kapsel ausgehärtet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis empirisch mit dem gemessenen Q-Wert verknüpft wird und im Gewichtsverhältnisbereich von 5 : 1 zu 20 : 1 von RTV zum teilchenförmigen Material liegt.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen des Meßschrittes (a)

(e) an den Kristall ein Signalgenerator variabler Frequenz angeschlossen wird,

(f) ein Mikrophon außerhalb der Kapsel neben der Membran angeordnet wird,

(g) der Signalgenerator bei der Resonanzfrequenz i_Q erregt wird,

(h) das Ausgangssignal des Mikrophons bei dieser Resonanzfrequenz gemessen wird,

(i) die Ausgangsfrequenz des Generators in einer Richtung von f aus zu einer Frequenz f.* verändert wird, bei welcher das Ausgangs signal des Mikrophons auf im wesentlichen das Y2~y2-fache des Mikrophonausgangssignals bei der Resonanzfrequenz abfällt, und

(j) die Ausgangsfrequenz des Generators in der anderen Richtung von f auf eine Frequenz fp verändert wird, bei

609840/1022

welcher das Ausgangssignal des Mikrophons auf im wesentlichen das V272-fache des Mikrophonausgangssignals bei der

Resonanzfrequenz: abfällt, wobei der gemessene Q-Wert f_

gleich -τ 2_— ist.

I₁ - I₂
30. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem einen piezoelektrischen Kristall umfassenden Vibratorelement und einem akustisch dämpfenden Mittel, das eine Gummiverbindung umfaßt und betriebsmäßig mit dem Vibratorelement gekoppelt ist, wobei der Wandler eine vorgewählte maximale Betriebstemperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das dämpfende Mittel oberhalb dieser maximalen Betriebstemperatur zum Aushärten gebracht wird.
31. Ultraschallwandler zur Verwendung in einer Umgebung mit einer maximalen Betriebstemperatur, wobei der Wandler ein piezoelektrisches Vibratorelement aufweist und einen akustischen Absorber mit einer Gummiverbindung, der betriebsmäßig mit dem Element gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die effektive Aushärtungstemperatur des akustischen Absorbers oberhalb der maximalen Betriebstemperatur liegt.

609840/1022
32. Ultraschallwandler nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß die Aushärtungs-Triggertemperatur der Gummiverbindung oberhalb der maximalen Betriebstemperatur liegt.

609840/1022 Hi/ku

HZ

Leer seife