DE4330747C1 - Ultraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Ultraschallwandler und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu
dessen Herstellung. Ein derartiger Ultraschallwandler ist insbesondere geeignet für
den Einsatz in Luftmassen- oder Gasdurchflußmessern.
Zur Anpassung von piezoelektrischen Ultraschallwandlern an das
Ausbreitungsmedium, wie beispielsweise Luft, ist ein Anpaßkör
per mit einer akustischen Impedanz notwendig, die zwischen der
des Materials des piezoelektrischen Elements und der des Aus
breitungsmediums liegt. Die optimale akustische Impedanz des
Anpaßkörpers wäre das geometrische Mittel der Impedanzen des
Piezoelements und des Ausbreitungsmediums. Der Einsatzbereich
des Ultraschallwandlers setzt weiterhin einen robusten mechani
schen Aufbau voraus.
Die DE 38 32 947 A1 beschreibt einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art, bei
dem ein Kompromiß zwischen optimaler akustischer Impedanz und
mechanischer Robustheit gewählt wurde. Ein topfförmiges Gehäu
se, welches gleichzeitig den Anpaßkörper darstellt, umschließt
das Piezoelement. Als Anpaßmaterial dient ein Gemisch aus einem
organischen Harz, wie beispielsweise Epoxidharz und Hohlkugeln
aus Glas oder Siliziumdioxid. Dessen akustische Impedanz liegt
bei 1·10⁶ Ns/m³. Die optimale akustische Impedanz liegt bei
1·10⁵ Ns/m³. Die akustische Anpassung ist somit nicht optimal ge
wählt. Weiterhin ist bei der bekannten Ausführungsform von
Nachteil, daß das Anpaßmaterial teuer und die Herstellung eines
exakten topfförmigen Gehäuses aus dem Anpaßmaterial aufwendig
ist. Das obengenannte Gemisch ist außerdem nicht spritzgußfä
hig.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler an
zugeben, der eine optimale Anpassung an das Ausbreitungsmedium
und eine hohe mechanische Robustheit aufweist. Weiterhin soll
die Herstellung und Montage des Ultraschallwandlers einfach und
kostengünstig sein.
Diese Aufgaben werden durch einen Ultraschallwandler gemäß dem
Patentanspruch 1 gelöst.
Während die abhängigen Ansprüche weitere vorteilhafte Ausge
staltungen des Ultraschallwandler betreffen, ist der Anspruch 5
auf ein Verfahren zu dessen Herstellung gerichtet.
Die Erfindung beruht darauf, daß eine funktionelle Trennung
zwischen der Umsetzung der radialen Schwingung des Piezoele
ments in axiale Schwingungen einerseits und der Anpassung an
das Ausbreitungsmedium andererseits erfolgt. Dies gelingt
dadurch, daß das Gehäuse die Umsetzung von radia
len Schwingungen in axiale Schwingungen übernimmt und ein zu
sätzliches Element, welches auf das Gehäuse aufgebracht wird,
die Funktion des Anpaßkörpers übernimmt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläu
tert, die einen Querschnitt des Ultraschallwandlers zeigt.
Der Ultraschallwandler, wie in der Figur abgebildet, enthält
eine vorzugsweise scheibenförmige Piezokeramik S, welche über
die Anschlußdrähte D mit einer nicht dargestellten Ansteuerein
heit verbunden ist. Das Piezoelement S, welches vorzugsweise
eine Piezokeramik ist, wird von einem topfförmigen Gehäuse T,
das beispielsweise aus Polystyrol besteht, umschlossen und
fest mit diesem verbunden. Auf der dem Piezoelement S gegen
überliegenden Außenseite des topfförmigen Gehäuses T ist ein
Anpaßkörper aufgebracht, der aus einem Material besteht, dessen
akustische Impedanz für die Anpassung der akustischen Impedanz
des Piezoelements S an die akustische Impedanz des
Ausbreitungsmediums optimiert ist. Für das Ausbreitungsmedium
Luft eignet sich ein Gemisch aus einem organischen Harz, wie
Epoxidharz und Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid, die
einen Durchmesser von 50-100 µm aufweisen. Auch Aerogele, wie
sie aus GERLACH, R. et al.: Modified SiO₂ aerogels as accustic impedance
matching layers in ultrasonic devices. In: Journal of Nou-Crystalline
Solids 145 (1992), S. 227-232
bekannt sind, lassen sich als Anpaßmaterial verwenden. Das
topfförmige Gehäuse T kann dahingehend optimiert werden, daß
eine bestmögliche Umwandlung der vom Piezoelement S erzeugten
radialen Schwingungen in axiale Schwingungen möglich wird.
Vorteilhaft für die Herstellung des Ultraschallwandlers ist,
daß für das topfförmige Gehäuse T ein spritzgußfähiger Kunst
stoff verwendbar ist.
Das Piezoelement S kann z. B. bereits bei der Herstellung des
topfförmigen Gehäuses T in dieses integriert werden. Es ent
fällt die nachträgliche Montage und die Verklebung des Pie
zoelements S mit dem topfförmigen Gehäuse T.
Das topfförmige Gehäuse T mit dem innenseitig angebrachten Pie
zoelement S wird anschließend mit einem Dämpfungsmaterial V
aufgefüllt.
Man kann auch das Dämpfungsmaterial V zuerst mit dem Piezoele
ment S verbinden und anschließend diese Elemente mit Kunststoff
topfförmig ummanteln, so daß das Piezoelement und das Dämp
fungsmaterial V fest im topfförmigen Gehäuse T eingeschlossen
sind.
Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler von
Vorteil, daß der Materialverbrauch zur Herstellung der Anpaß
schicht erheblich sinkt.
Als Dämpfungsmaterial V eignen sich schwere Stoffe mit hoher
innerer Dämpfung. Für Ultraschallwandler, die hohen Temperaturen
ausgesetzt sind, ist ein Silikonschaum und für Ultraschall
wandler, die bei normalen Umgebungstemperaturen eingesetzt
werden, ein Polyurethanschaum, der Bleioxid und Wolfram
enthält, verwendbar.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler kann insbesondere durch fol
gendes Verfahren hergestellt werdend:
- 1. Kontaktierung der Piezokeramik mit Anschlußdrähten.
- 2. Herstellung der Anpaßschicht aus epoxidharzgebundenen Glashohlkugeln.
- 2. Guß des Topfes aus spritzgußfähigem Kunststoff mit geringer Dichte. Die Piezokeramik mit Anschlußdrähten ist Bestandteil der unteren Form und wird während des Gusses mit dem Topf verbunden. Die Anpaßschicht aus epoxidharzgebundenem Glashohlkugeln oder Aerogelen ist Be standteil der oberen Form.
- 3. Guß des Dämpfungsmaterials wie bekannt. Es sind jedoch auch hierfür spritzgußfähige Materialien verwendbar.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Dämpfungsmaterial
zuerst auf die Keramik zu gießen und den Verbund aus Piezokera
mik und Dämpfungsmaterial als Bestandteil der unteren Form in
den Spritzguß des Topfes einzubringen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt zum einen in einer Materialer
sparnis für das relativ teure Anpaßmaterial (die Materialer
sparnis beträgt bei Haushaltsgaszählern etwa 70%) und zum ande
ren darin, daß alle Verfahrensschritte mit Ausnahme der Kontak
tierung und der Herstellung der Anpaßschicht in Spritzgußtech
nik möglich sind. Besonders vorteilhaft ist ferner, daß die La
ge der Anschlußdrähte keine Rolle mehr spielt, da sie mit ein
gegossen werden.
Claims (5)
1. Ultraschallwandler mit einem aus einem ersten Material be
stehenden topfförmigen Gehäuse (T) und einem am Boden des
topfförmigen Gehäuses (T) angeordneten Piezoelement (S),
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein aus einem zweiten Material bestehender Anpaßkörper (AK) auf einer dem Piezoelement (S) gegenüberliegenden Fläche des Gehäusebodens aufgebracht ist und
- - daß das Gehäuseinnere mit einem das Piezoelement (S) bedec kenden Dämpfungsmaterial (V) aufgefüllt ist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (T) aus spritzgußfähigem Kunststoff besteht.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (T) aus Polystyrol besteht.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Anpaßkörper (AK) ein Gemisch aus organischem Harz und Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid aufweist oder aus einem Aerogel besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers nach
einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Dämpfungsmaterial (V) auf das kontaktierte Piezoelement aufgebracht wird,
- - daß um das kontaktierte Piezoelement und das Dämpfungs material (V) herum ein topfförmiges Gehäuse (T) aus Kunststoff hergestellt wird, und
- - daß auf den topfförmigen Gehäuseboden der Anpaßkörper (AK) aufgebracht wird.
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|---|---|---|---|
| DE19934330747 DE4330747C1 (de) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | Ultraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung |
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Publications (1)
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| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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