DE3409815C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 bezieht sich auf eine Vereinfachung der Herstellung und des Aufbaus eines Ultraschallwandlers aus Oxidkeramik mit angepaßtem Wellenwiderstand.

Aus der DE-OS 25 41 492 ist ein Ultraschallwandler bekannt, der aus einer Scheibe einer Oxidkeramik und einem Anpassungskörper zusammengesetzt ist, wobei der Anpassungkörper ein Schaumstoff­ körper ist. Dieser Schaumstoff-Körper dient dazu, den Wellen­ widerstand des schallharten Keramikmaterials besser an den Wel­ lenwiderstand des betreffenden Ausbreitungsmediums - wie Flüs­ sigkeit oder Luft - anzupassen. Solche Wandler liefern sehr zu­ friedenstellende Ergebnisse und werden seit vielen Jahren für Ultraschallzwecke verwendet. Unumgänglich ist aber deren Aufbau aus mindestens zwei Körpern, die für sich aus zwei verschiede­ nen Materialien bestehen.

Ein weiterer Wandler, der aus Keramik-Wandlerelementen und aus Anpassungskörpern besteht, ist aus der DE-OS 32 10 925 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzu­ geben, mit dem ein vereinfachter Aufbau eines Ultraschallwand­ lers aus Oxidkeramik zu erreichen ist, der Anpassungs-Eigenschaf­ ten wie ein aus der obengenannten DE-OS 25 41 492 bekannter Ultraschall-Wandler hat. Eine Weiterbildung der Erfindung soll ermöglichen, zu einem Ultrsschallwandler zu gelangen, der einen wahlweise vorgebbaren Wellenwiderstand hat.

Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruches 1 gelöst.

Grundlage der Erfindung ist, einen einstückigen Ultraschallwandler aus einer solchen Oxidkeramik herzustellen, die eine homogen verteilte, vorzugsweise auch geschlossen-po­ rige, intragranulare Porosität aufweist, mit der eine optimalere Wellenwiderstandsanpassung für den Ultraschall-Wand­ ler an Wasser oder Luft zu erzielen ist. Grundlage der Weiter­ bildungen der Erfindung ist, eine solche gesteuert einstell­ bare Porosität vorzusehen, wie sie für die jeweilige Verwendung der Keramik als optimal vorgegeben ist und wie sie durch Steue­ rung des Zerstäubungsprozesses der flüssigen Lösung der Aus­ gangsmaterialien im ersten Anteil der verwendeten Umwandlungs­ kammer zu erzielen ist.

Aus "Sprechsaal 109 (1976), Seiten 224/225 ist ein Verfahren des Sprühtrocknens bekannt, das dazu dient, für Keramikher­ stellung verwendete Rohmaterialien in gelöstem Zustand durch Versprühen in heißem Gas zu trocknen. Das so zu erhaltende Pulver besteht aus kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmes­ ser von einigen hunderstel nm. Durch Heißpressen wird dieses Pulvermaterial zu Keramiken von nahezu theoretischer Dichte hochverdichtet. Man hat dieses Verfahren für die Herstellung von Ferriten und von optischer Keramik verwendet, bei denen es darauf ankommt, möglichst porenfreie Keramik zu erzielen.

Das Vorhandensein von Porosität in gesinterter Oxidkeramik ist bekannt, ist bis zu einem gewissen Grad unvermeidlich und wird im Regelfall als unerwünscht angesehen. Es han­ delt sich dabei im wesentlichen um intergranulare Porosi­ tät. Sie ergibt sich zumindest meistenteils aus ungenügen­ der Verdichtung der vor dem Sintern zu Formkörpern gepreß­ ten Grünkörper, in denen dann zwischen den Kristallitkör­ nern des später gesinterten Keramikmaterials mehr oder weni­ ger große, oftmals inhomogen verteilte Hohlräume, etwa nach Art von Lunkern, vorliegen. Eine solche Keramik weist dann im übrigen eine relativ hohe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit auf, weil entlang der Oberflächen der Körner die Feuchtig­ keit den Keramikkörper durchdringen kann. Es kann dies im übrigen auch zu unerwünschten hohen dielektrischen Verlusten führen. Zu einem im Regelfall vergleichsweise nur sehr ge­ ringen Anteil kann gesinterte Keramik auch intragranulare Porosität aufweisen.

Unter intragranularer Porosität ver­ steht man dagegen Hohlräume, die innerhalb gesinterter Kör­ ner der Keramik vorliegen. Solche Hohlräume entstehen beim Sintervorgang aus zwischen Partikeln des (gepreßten) Grün­ körpers vorhandenen Hohlräumen dadurch, daß solche Partikel zu einem Korn zusammensintern, jedoch diese Hohlräume dabei nicht verschwinden, sondern eingeschlossen werden. Diese Hohlräume sind sehr klein vergleichsweise zu den Abmessun­ gen des Kornes.

Die im nachfolgenden anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläuterte Erfindung hat ihre Bedeutung zum einen dar­ in, Oxidkeramik-Material zu liefern, das gesteuert erziel­ bare, in relativ engen Grenzen vorgebbare Porosität, bewirkt. Es hat sich gezeigt, daß für die erfindungsgemäße Keramik und insbesondere für deren Verwendung als Ultraschall-Wand­ ler eine besondere intragranulare Porosität, hier als Hohl­ kugel-Porosität bezeichnet, wichtig ist. Mit den erfindungs­ gemäßen Maßnahmen ergibt sich eine neue Keramik, bei der die linearen Abmessungen der intragranularen Hohlräume des jewei­ ligen Kornes um ein Vielfaches größer sind als die Wandstärke der Poren bzw. des Kornes selbst. Unvermeidlich hat eine sol­ che neue Keramik zusätzlich auch intergranulare Poren, näm­ lich die Zwischenräume zwischen den hohlen Körnern. Diese Form mit dünnwandigen Hohlkugeln kennzeichnet diese neue Keramik und unterscheidet sie deutlich von üblicher Keramik mit kleinen intragranularen Poren in dagegen großen Körnern und erst recht gegenüber nur intergranularer Porosität.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Kombination aus einer optimalen Auswahl aus vielfälti­ gen, teilweise an sich bekannten Verfahrensmerkmalen. Das Vorliegen in­ tragranularer Porosität schließt nicht aus, daß nebenbei auch ein gewisses Maß an intergranularer Porosität vorliegt, z.B. ein solches, das prinzipiell unvermeidlich ist.

Von den beigefügten Figuren zeigt:

Fig. 1 eine für die Erfindung verwendete Reaktionssprühvor­ richtung mit Zerstäubung des Materials auf der Arbeits­ platte eines Ultraschall-Schwingers,

Fig. 2 als Alternative für die Zerstäubung eine abgewandelte Ausführungsform des Kopfes der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Fließbild des Herstellungsverfahrens und

Fig. 4 ein schematisches Bild einer erfindungsgemäßen Keramik, und zwar ein Schnitt durch einen solchen Keramikkörper.

Fig. 5 bis 8 zeigen Ausführungsformen nach der Erfindung hergestellter Wandler.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Rohrofen bezeichnet, der von einem, ge­ gebenenfalls in mehrere Abschnitte aufgeteilten, Heizer 2 um­ geben ist. Der Boden des Rohrofens 1 ist mit 3 und der Deckel mit 4 bezeichnet. Wie auch aus der Figur ersichtlich, hat der Rohrofen 1 mit Boden 3 und Deckel 4 relativ langgestreckte Form und wird vorzugsweise - wie dargestellt - senkrecht auf­ gestellt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist im Deckel 4 ein Ultra­ schall-Zerstäuber 5, insbesondere ein solcher nach DE-PS 20 32 433 oder nach "VDI-Zeitschrift" 108 (1966) S. 1669-1716, eingebaut. Der Einbau ist derart, daß die erfor­ derliche Schwingungsbewegung des Zerstäubers 5 nicht be­ hindert wird. Der Zerstäuber 5 besitzt eine in Schwingungen zu versetzende Arbeitsplatte 6, auf der hier mit Ultra­ schall zu zerstäubende Substanz bei Betrieb des Zerstäubers 5 fein zerstäubt wird. Zugeführt wird die Substanz über eine Rohrleitung 7, die als zentrale Bohrung durch den Zer­ stäuber 5 bis zu dessen Arbeitsplatte 6 führt. Es kann auch die Zuführung der Substanz von außerhalb des Zerstäubers er­ folgen.

Durch diese Rohrleitung 7 hinzugeführte Substanz wird auf der Oberfläche der Arbeitsplatte 6, wie durch die Punkte 8 ange­ deutet, in kleine Tröpfchen zerstäubt. Innerhalb einer ersten Zone 2′ des Rohrofens 1 erfolgt im wesentlichen die Verdun­ stung des Lösungsmittels der zugeführten und auf der Arbeits­ platte 6 zerstäubten Substanz. Für Wasser als Lösungsmittel herrscht dort z.B. eine Temperatur von 150° und mehr. Im Be­ reich der weiteren Zone 2′′ erfolgt im Innern des Rohrofens 1 eine Reaktionsumwandlung des festen Anteils der zugeführten Substanz. Mit 9 ist auf ein solches Reaktionsprodukt hingewie­ sen.

Der Vollständigkeit halber sei auf den sich am Boden des Rohr­ ofens 1 ansammelnden Grobanteil 10 hingewiesen.

Mit dem Pfeil 11 ist auf den Strömungsweg des erwünschten Fein­ anteils hingewiesen, nämlich auf den Anteil der zugeführten Substanz, die durch die Zerstäubung auf der Arbeitsplatte 6 in zunächst feine Tröpfchen umgewandelt worden ist, aus denen sich in der ersten Zone 2′ Hohlkugelpartikel gebildet haben, und deren getrockneter Festanteil in der zweiten Zone 2′′ zu festem, wenigstens teilweise reagiertem Material dieser Hohlkugeln umgewandelt worden ist. Soweit die Reaktion noch nicht voIlständig war, kann das Material wie herkömmlich end­ gültig umgesetzt werden. In einem Behälter 12 wird dieser erörterte Feinanteil gesammelt. Das Lösungsmittelkondensat kann in einem weiteren Behälter 13 aufgefangen werden, in dem sich im übrigen auch ein gewisser Feinstanteil der Sub­ stanz ansammelt. Das Lösungsmittelkondensat gelangt aus einem Kühler 14 in den Behälter 13. Mit dem Pfeil 15 ist auf den Anschluß eines Abluftgebläses hingewiesen, mit dem ein gewisser, insbesondere auch die Strömung 11 hervorrufender Gasstrom durch die Anlage hindurch aufrechterhalten wird. Mit 16 ist eine Zuluftöffnung bezeichnet, die vorzugsweise im Deckel 4 angeordnet ist. Man erhält damit Tröpfchen bzw. Hohl­ kugelpartikel in der Größenordnung von 1 bis 100 µm, insbe­ sondere um 20 µm, Durchmesser.

Fig. 2 zeigt eine hinsichtlich der Zerstäubung alternative Ausführungsform, nämlich unter Verwendung eines Zerstäubers nach Art der DE-OS 25 24 862. Es handelt sich dabei um einen Flüssigkeitsbad-Zerstäuber mit Schwingungsanregung des Flüs­ sigkeitsbades, in dem sich dem Rohrofen 1 zuzuführende Sub­ stanz befindet. Die Schwingungsanregung des Bades führt zu einer Art Nebel 22 oberhalb der in Ultraschall-Bewegung ver­ setzten Flüssigkeitsoberfläche 23. In diesem Nebel 22 ist als Feststoff die Substanz enthalten, die dann nach erfolgtem Trocknen in der ersten Zone 2′ und nach Reaktion in der zwei­ ten Zone 2′′ ihren Weg 11 in den Behälter 12 nimmt. Man erhält damit Tröpfchen bzw. Hohlkugelpartikel in der Größenordnung von 0,1 bis 5 µm, insbesondere um 1 µm, Durchmesser.

Fig. 3 zeigt in Form eines Fließbildes das Prinzip des gesam­ ten Herstellungsverfahrens, wobei insbesondere der Verfah­ rensschritt des Sinterns der üblichen einschlägigen Technolo­ gie entspricht. Zum Formgeben sei lediglich darauf hinge­ wiesen, daß für poröse Keramik der Verdichtungsdruck bei der Erfindung so gering gewählt wird, daß die gewünschten Hohl­ kugelpartikel nicht zerstört werden. Insbesondere eignet sich zur Formge­ bung für die Erfindung eine Verfahrensvariante mit einem Aufschlämmen der im Behälter 12 gewonnenen Substanz, der gegebenenfalls noch ein übliches Bindemittel zugefügt ist, und anschließendem Filtrieren bzw. Abnutschen. Das Filtrie­ ren kann dabei so durchgeführt werden, daß der entstehende Filterkuchen bereits die geforderte Form des Grünkörpers hat, so daß sogar jegliche weitere Formgabe, insbesondere ein Pressen, entfallen kann. Der Grünkörper wird in an sich bekannter Weise zum Keramikkörper gesintert.

Mit besonderem Vorteil kann der Effekt ausgenutzt werden, dem­ zufolge im Filterkuchen von unten nach oben ein Gradient hin­ sichtlich des jeweiligen Größenmaximums abgeschiedener Hohlku­ gelpartikel auftritt. Aus einem flachen Filterkuchen heraus­ getrennte Scheiben haben in Richtung ihrer Dicke diesen Gra­ dienten und dementsprechend von ihrer einen Scheibenseite zur gegenüberliegenden Seite unterschiedliches Maß der Porosität. Z.B. kann die Seite mit der höheren Porosität als Schallab­ strahlfläche mit besonders gut angepaßtem Wellenwiderstand verwendet werden. Die dichtere Seite hat höhere piezoelektri­ sche Eigenschaft.

Die Fig. 4 zeigt ein lediglich prinzipielles Schliffbild des inneren Aufbaues eines nach der Erfindung hergestellten Oxid­ keramikkörpers mit einem hohlkugelförmigen Gefüge. Die Hohl­ kugeln sind hinsichtlich ihrer Wandstärke und Größe auch noch durch die Wahl der Sinterparameter (Temperatur und Zeit) in­ folge Schrumpfens des sinternden Materials steuerbar.

Die Erfindung kommt insbesondere für Oxidkeramik der Typen Bariumtitanat, Bleizirkonattianat und deren Dotierungsvarian­ ten, wie sie für Piezokeramik in großer Zahl bekannt sind, aber auch für Aluminiumoxid und ähnliche Oxid-Sinterwerkstoffe bevorzugt in Betracht.

Nachfolgend werden ins einzelne gehend Herstellungsgänge spe­ ziell für Bleizirkonattitanat mit 3 Atom% Neodym-Dotierung, für Bariumbleititanat mit 2,5 Mol% Titanüberschuß und für Ba­ rium-Blei-Kalziumtitanat mit Yttrium- und Mangan-Dotierung beschrieben:

Pb(Ti;Zr)O₃ + 3 Atom% Nd
Ba_0,5Pb_0,5TiO₃ + 0,025 TiO₂
Ba_0,482Pb_0,47Ca_0,045Y_0,003(Ti_0,999Mn_0,0005)O₃ + 0,015 TiO₂

Die Einwaage für die in der jeweiligen Keramik enthaltenen Ele­ mente erfolgt entsprechend ihrer Elementekonzentration. Für den Barium-Anteil wird eine Lösung von Bariumhydrooxid in Essig­ säure bevorzugt. Der Titan-Anteil wird vorzugsweise als Tetra­ butylorthotitanatlösung zugegeben. Weitere Zugabestoffe, wie Blei und Mangan, werden bevorzugt als Acetat, Calcium als Hy­ droxid und Yttrium als Nitrat verwendet. Die dem Zerstäuber 5 bzw. 21 zugeführte Lösung wird zerstäubt und im ersten Ofenanteil 2′ wird von außen eine vorzugsweise Tempe­ ratur von 500° C vorgesehen. Die in der Vorrichtung oberste Heizzone ist besonders wichtig. Durch die hohe Verdampfungs­ enthalpie, die zur Trocknung der Lösungströpfchen aufgebracht werden muß, sinkt die Temperatur dort im Innern des Gefäßes 1 erheblich stark ab. Die Intensität des Zerstäubens wird dem­ entsprechend nicht größer gemacht, als zur Aufrechterhaltung einer Temperatur von wenigstens 150° C in diesem Anteil 2′ er­ forderlich ist. Gegebenenfalls wird auch das Zerstäuben zeitweise unterbrochen, bis eine Temperatur von etwa 180° C wieder im Innenraum erreicht ist.

Für die zu zerstäubenden Lösungen werden 0,1 bis 1,0 molare Lösungen bevorzugt. Bei höheren Molaritäten kann es schwierig sein, die Lösungströpfchen so schnell zu trocknen, daß die im Ergebnis geforderte Hohlkugelform erzielt wird. Im Ofenanteil 2′′ werden 400 bis 500° C aufrechterhalten. Es ist dies eine für die gewünschte Reaktion geeignete Tempera­ tur, die allerdings nach oben und unten variiert werden kann.

Mit der Erfindung ist nunmehr der ein Jahr­ zehnt alte Stand der Technik um einen wesentlichen Schritt weiterentwickelt worden. Man benötigt nunmehr nur noch einen ein­ stückigen Wandler aus nach Merkmalen der Erfindung hergestellter Keramik, wobei durch Einstellen der Porosität dieser Keramik der Wellenwi­ derstand auch noch in Grenzen angepaßt werden kann.

Fig. 5 zeigt in Seitenansicht einen (vorzugsweise kreisrun­ den) scheibenförmigen Wandlerkörper 51 mit den Scheibenober­ flächen 52 und 53. Mit 50 ist auf eine Abstrahlung von Ultraschall-Strahlung des Wandlers hingewiesen. Auf den Flächen 52 und 53 befinden sich wie üblich Elektroden 52′, 53′, an die über die Anschlüsse 56 und 57 eine elektrische Anre­ gungsspannung anzulegen ist. Wird der Wandler mit der Scheibe 51 als Ultraschall-Empfänger verwendet, kann an diesen An­ schlüssen 56 und 57 ein elektrisches Empfangssignal abge­ nommen werden.

Mit 50′ ist auf eine (im Betrieb als Ultraschall-Sender) auftretende weitere Ultraschall-Abstrahlung von der Fläche 53 hingewiesen.

Bereits oben wurde darauf hingewiesen, daß mit der Erfin­ dung auch solche Keramikkörper als Wandler hergestellt werden können, deren Porosität einen Gradienten aufweist. Mit der Schraffur der Seitenansicht der Scheibe 51 ist auf eine derartige unterschiedliche Dichte der Keramik hinge­ wiesen, wobei die Darstellung der Fig. 5 eine solche Dichte- Verteilung zeigt, bei der im Bereich der weniger dichten Schraffur, d.h. nahe der Oberfläche 52, geringere Keramik­ dichte bzw. höhere Porosität vorliegt, und zwar im Gegen­ satz zu dem der Oberfläche 53 nahen Bereich mit dichterer Schraffur. Das Keramikmaterial der Scheibe 51 hat nahe der Oberfläche 52 den niedrigsten und nahe der Oberfläche 53 den höchsten Wellenwiderstand, wobei aufgrund der Porosi­ tät diese Wellenwiderstandswerte noch erheblich unter Wellen­ widerstandswerten liegen, die dichte Keramik der gleichen Ma­ terialzusammensetzung des Keramikmaterials hat.

Gestrichelt dargestellt ist ein Körper 54, der an der Ober­ fläche 53 der Scheibe 51 des Wandlerkörpers angesetzt ist. Da der Wellenwiderstand des Keramikmaterials nahe der Ober­ fläche 53 z.B. bis auf einen Wert herabgesetzt werden kann, der einer Schallgeschwindigkeit von z.B. 1000 bis 1500 m/s entspricht, nämlich einem Wert entspricht, wie er für Kunst­ stoffe, insbesondere Polyacrylglas u. dergl. gilt, kann er­ reicht werden, daß an der zur inneren Grenzfläche geworde­ nen Oberfläche 53 der Scheibe 51 keine wesentliche Reflexion in der Scheibe 51 erzeugter Ultraschall-Energie auftritt. In Fig. 5 ist auch auf einen solchen Anteil von Ultraschall-Strahlung hingewiesen, der zunächst in der Scheibe 51 erzeugt worden ist, in Rich­ tung parallel zur Strahlung 50′ innerhalb der Scheibe 51 auf die Oberfläche 53 aufgetroffen ist und durch ansonsten erfolgende Reflexion an der Oberfläche 53 als Ultraschall­ Strahlung 50′′ auftritt. Mit dem Anbringen eines wellenwi­ derstands-angepaßten Körpers 54 kann jedoch diese Strahlung beseitigt werden. Dies ist insbesondere dann von großem Vor­ teil, wenn mit der Scheibe 51 sehr kurze Impulse erzeugt wer­ den sollen. Dann muß nämlich vermieden werden, daß eine sol­ che Abstrahlung auftritt, die auf einer Aussendung jeweils eines Anteils einer solchen Ultraschall-Strahlung 50′′ be­ ruht, die durch insbesondere mehrfache Reflexion innerhalb der Scheibe 51 hin und her reflektiert worden ist. Eine sol­ che Abstrahlung würde nämlich wesentlich zeitverzögert erfol­ gen.

Damit möglichst wenig Anteil der Strahlung 50′ wieder in den Bereich der Scheibe 51 zurückkehrt, empfiehlt es sich, die endseitige Stirnfläche 55 des Zusatzkörpers 54 schräg anzu­ ordnen. Dies kann aber insbesondere dann entbehrlich sein, wenn durch den ohnehin relativ langen Weg im Zusatzkörper 54 ein zurückkehrender Ultraschall-Impuls erst so spät in den Bereich der Scheibe 51 zurückgekehrt ist, daß er für das für den Betrieb der Scheibe 51 als Ultraschall-Wandler vorgese­ hene Zeitprogramm viel zu spät ankommt.

Lediglich der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß man einen solchen Zusatzkörper auch an bisher üblicher dichter Keramik hätte anbringen können. Mit Rücksicht auf die hohe SchaIlgeschwindigkeit dichter Keramik wäre dazu aber die Verwendung eines Metalles, wie Bronze, und zwar mit den gleichen geometrischen Abmessungen wie der Körper 54 in Fig. 5, erforderlich gewesen. Es ist ersichtlich, daß eine solche Ausführungsform aus Gewichts- und Kostengründen wohl nur sehr selten Relevanz haben kann.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäß hergestellten Wandlers, der zum Teil mit der Fig. 5 überein­ stimmende Merkmale aufweist. Mit 61 ist dort eine Scheibe bezeichnet, die aus einem solchen Material besteht, das wesentlich schwerer und wesentlich schallhärter als das Keramikmaterial der Scheibe 51 ist. Da aber nach der Erfindung Schallhärte und Dichte des Keramikmaterials der Scheibe 51 relativ nied­ rig sind, gibt es viele Materialien, die die voranstehenden Bedin­ gungen in bezug auf die Scheibe 51 erfüllen. Zum Beispiel kann für die Scheibe 61 die schon erwähnte Bronze verwendet werden. An der nunmehr zur Grenzfläche gewordenen Oberflä­ che 53 der Scheibe 51 tritt eine gewolltermaßen herbeige­ führte starke Reflexion von Ultraschall-Strahlung auf, die im Innern der Scheibe 51 erzeugt ist und auf die FIäche 53 aufgetroffen ist. Eine solche Ausführungsform nach Fig. 6 ist dann zu bevorzugen, wenn möglichst intensive Schallab­ strahlung 50 erreicht werden soll und etwaige Zeitverzöge­ rung für den Austritt im Innern der Scheibe reflektierter Ultraschall-Strahlung weniger bedeutsam ist.

Fig. 7 zeigt einen weiteren Fall eines Ultraschall-Wandlers, wie er erst mit nach Merkmalen der Erfindung hergestellten porösen Keramik zu realisieren ist. Mit 71 ist ein z.B. rechteckiger platten­ förmiger oder quaderförmiger Körper bezeichnet, der auf den beiden gegenüberliegenden Großflächen ganzflächige Elektro­ den-Beschichtungen 72 und 73 hat. Wenigstens eine der late­ ralen Abmessungen (Länge und/oder Breite) des Körpers 71 ist bei einer Ausführungsform nach Fig. 7 (und auch nach Fig. 8) relativ zur Dicke d des Körpers sehr groß, ist z.B. insbesondere etwa mehr als 10mal so groß wie die in Frage kommende Schallwellenlänge im Keramikmaterial. Mit 74 und 75 sind Anschlußleitungen bezeichnet, die an für die Stromverteilung günstiger Stelle der jeweiligen Elektroden­ Beschichtung 72, 73 kontaktiert sind. Zwischen die An­ schlüsse 74 und 75 wird die elektrische Anregungsspannung für den Betrieb des Körpers 71 als Schallwandler angelegt. Die Anregung erfolgt in der Dickenresonanz der Abmessung d.

Da der Körper 71 aus nach Merkmalen der Erfindung Keramik besteht, läßt sich bei einer derartigen Schwingungsanregung des Wand­ lers mit dem Körper 71 tatsächlich eine ganzflächige, prak­ tisch völlig gleichmäßige Schallabstrahlung 76 erreichen. Mit der bisherigen dichten piezoelektrischen Keramik war dies nicht möglich. Dichte Keramik hat nämlich eine so hohe Querkopplung des Materials, daß sich zwangsläufig auch störende Schwingungsmoden anderer Form in erheblichem Maße ausbilden, die eine gleichmäßige Abstrahlung 76 entscheidend stören. Bei erfindungsgemäßer poröser Keramik läßt sich bei Einhaltung einer entsprechenden Mindestporosität ausreichen­ de Unterdrückung von unerwünschten Quermoden erreichen.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit einem Körper 71, wie er bereits zu der Fig. 7 beschrieben ist. Auch hier besteht der Körper aus der porösen Keramik. Anstelle der ganzflächigen Elektrode 76 sind dort einzelne streifen­ förmige Elektroden 173,173′ angeordnet. Jede dieser einzel­ nen streifenförmigen Elektroden 173 hat einen getrennten elek­ trischen Anschluß 175,175′ . . . Legt man die z.B. für die An­ schlüsse 74 und 75 vorgesehene Anregungs-Wechselspannung zwi­ schen die einzelnen Anschlußpaare 175-74, 175′-74, 175′′-74 usw. zu zeitlich aufeinanderfolgend unterschiedlichen Zeit­ punkten an, so kann bei einer Ausführungsform nach Fig. 8 er­ reicht werden, daß sich aufgrund dieser jeweiligen Phasenver­ schiebung der Anregungen der einzelnen Elektrodenpaare 173-72, 173′-72 ... infolge Überlagerung der jeweiligen einzelnen Strahlungsfelder eine mit 176 angedeutete schräge Abstrahl­ richtung ergibt. Der Winkel der schrägen Richtung der Ab­ strahlung 176 kann durch Wahl der Phasenverschiebung der Speisung der einzelnen Elektrodenpaare verändert werden.

Auch in dieser Ausführungsform ist von entscheidender Bedeutung, daß infolge der eingestellten Porosität der Keramik die Ausbildung von störenden Quermoden unterbunden ist.

Für die voranstehend beschriebenen Ultra­ schall-Wandler wird für die Keramik ein Material verwen­ det, das bei entsprechender eingeprägter Polarisierung piezoelektrische Eigenschaft hat, d.h. es handelt sich um polarisierte Piezokeramik.

Vorteile bietet die Maßnahme, die hier verwendete Keramik mit Zusatzstoff zu füllen, und zwar derart, daß im wesentlichen nur die intergranularen Hohlräume und möglichst wenig die intragranularen Poren gefüllt sind. Hierfür eignen sich organische, insbesondere hydrophobe Wachse bzw. Harze und auch Siliconöl. Ein anderer günstiger Füllstoff sind Silikate wie Wasserglas (Natriumsilikat). Eine solche Füllung kann auch lediglich oberflächlich und/oder einseitig vorgenommen sein. Man er­ reicht damit je nach Füllstoff verbesserten Feuchtigkeits­ Schutz, Änderung des Wertes der Dämpfung und/oder höhere Festigkeit, insbesondere Oberflächenverfestigung.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Ultraschall­ wandlers aus Oxidkeramik, der einen angepaßten Wellenwiderstand besitzt, wie ihn ein an Flüssigkeiten oder Luft verbessert angepaßter, aus mindestens einem Wandlerkörper und einem Anpassungskörper bestehender, an sich bekannter Ultraschall-Wandler hat, mit den Maßnahmen:

• a) Herstellung eines Oxidkeramikkörpers (51, 71) mit in dem Keramikmaterial enthaltenen intragranularen Poren in der Größenordnung der Größe der Sinterkörner dieses Materials,
  • - wobei von einer flüssigen Lösung der Ausgangsstoffe dieses Keramikmaterials ausgegangen wird,
  • - in einem ersten Anteil (2′) einer Umwandlungskammer (2) diese Lösung in Tröpfchenform übergeführt wird und
  • - man das wenigstens weitgehend getrocknete Material der erzeugten Tröpfchen der Lösung mit einem Gasstrom in einen zweiten Anteil (2′′) dieser Umwandlungskammer (2) eintreten und in an sich bekannter Weise eine Umsatzreaktion dieses getrockneten Materials ablaufen läßt, wobei sich ein Zwischenprodukt mit hohlkugelförmigen Teilchen bildet,
  • - Formgebung des Körpers aus dem Material des Zwischenprodukts und Sintern des Formkörpers (Fig. 3) sowie
• b) Anbringen von Elektroden am und Polarisieren des gesinter­ ten Formkörpers (Fig. 5 bis 8).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Zerstäuben durch Ultraschall-Zerstäubung erfolgt, daß durch Wahl des Prinzips der Ultraschall-Zerstäubung und/oder der Zerstäuberfrequenz die Partikelgröße durch die Zer­ stäubung eingestellt und durch aufeinanderfolgende Abstimmung des zusätzlich zugeführten Gasstromes und des Temperaturver­ laufs im zweiten Anteil (2′′) der Umwandlungskammer (2) die end­ gültige Art und Größe der intragranularen Poren eingestellt wird und daß für den Transport der Tröpfchen in diesem zweiten Anteil (2′′) der Umwandlungskammer (2) ein eigens dafür zusätzlich zugeführter Gasstrom vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß für die Formgabe des Oxidkeramikkörpers von einem solchen Material ausgegangen wird, das nach Aufschlemmen und Filtern des Zwischenprodukts nach Abfiltern aus dem Filterkuchen zu erhalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Zwischenprodukt sowie es als Filterkuchen anfällt zur Formgabe verwendet wird und der Formkörper gesintert wird, womit im Oxidkeramikkörper ein Gradient der Porosität und/oder der Porengröße erzeugt wird.