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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet
der Wandler, und insbesondere Wandler-Trägermaterialien und Verfahren
zum Aufbringen von Trägermaterialien auf
Wandler.
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Hintergrund
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Piezoelektrische Wandler finden eine
große Vielzahl
von Anwendungen in Ultraschall- und elektroakustischen Technologien.
Gekennzeichnet durch die Gegenwart eines geformten, piezoelektrischen Materials,
wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT),
wandeln diese Vorrichtungen mittels des piezoelektrischen Effekts
in Feststoffen elektrische Signale in Ultraschallwellen um, und
im allgemeinen auch umgekehrt. Dieser Effekt ist im Stand der Technik
von Wandlern und ihrer Herstellung gut bekannt. Ein piezoelektrisches
Material ist eines, das beim Anlegen einer Spannung eine elektrische
Ladung aufweist. Wenn ein geschlossener Schaltkreis an Elektroden
auf der Oberfläche
eines solchen Materials angebracht wird, wird ein Ladungsfluss proportional zur
Spannung beobachtet. Ein Wandler weist ein piezoelektrisches Element
auf und, falls notwendig, eine akustische Impedanzanpassungsschicht
oder multiple Anpassungsschichten und eine akustisch absorbierende
Trägerschicht.
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Wandler können gemäß herkömmlicher Verfahren hergestellt
werden. Demnach wird ein dünnes piezoelektrisches
Wandlerelement auf seinen beiden Oberflächen mit einer leitenden Auflage,
wie zum Beispiel eine Goldplattierung über einer Chromschicht, metallisiert.
Die Dicke des piezoelektrischen Elements ist eine Funktion der Frequenz
der Schallwellen. Eine Oberfläche
des piezoelektrischen Elements kann mit einer akustischen Impedanzanpassungsschicht
oder mit multiplen Anpassungsschichten, je nach Wunsch, bedeckt
sein. Eine Trägerschicht
kann an der Rückseite
des piezoelektrischen Elements angebracht sein. Das Trägerschichtmaterial
wird typischerweise mittels einer Gießform derart in Form gegossen,
dass das piezoelektrische Element zwischen der Anpassungsschicht
und dem Trägermaterial
liegt. Die Anpassungsschicht, die aus einem elektrisch leitenden
Material geformt sein kann, dient der Verbindung zwischen den akustischen
Impedanzen des piezoelektrischen Elements und des Materials, gegen
das der Wandler gerichtet ist (i. e. an der Vorderseite des Wandlers).
Einzelne piezoelektrische Wandler werden aus der piezoelektrisches Material/Anpassungsmaterial-Schicht gefräst.
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Ein als ideal beschriebener piezoelektrischer Wandler
würde 100%
der Ultraschallstrahlung zur Vorderseite des Wandlers übertragen,
und keine Ultraschallwellen zur Rückseite. Daher ist es erstrebenswert,
ein verlustreiches Material für
die Trägerschicht
zu verwenden. Ein konventionelles Trägermaterial ist zum Beispiel
verkapseltes, Weichgel, das Wolfram enthält, von dem im Stand der Technik
bekannt ist, dass es als akustischer Absorber dient. Entsprechend
den herkömmlichen
Verfahren zum Aufbringen wird das Trägermaterial unter einen Druck von
etwa 12000 psi (845 kg/cm2) gesetzt. Das
Unterdrucksetzen presst überschüssiges Gel
heraus und führt
zu einem hoch verdichteten, verkapselten Gel mit einer erhöhten Wolfram-Konzentration.
Selbst mit Unterdrucksetzen kann jedoch von Charge zu Charge oder
innerhalb einer Charge eine uneinheitliche elektrische Leitfähigkeit
entstehen, da die Wolfram-Konzentration immer noch nicht hoch genug
ist, um Reihenkontakt zwischen den Wolframpartikeln quer durch das
Trägermaterial
aufrecht zu erhalten.
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Um die elektrische Leitfähigkeit
zu erhöhen, können zum
Trägermaterialgemisch
Silberspäne
gegeben werden. Das Gel, das eine relativ unklebrige Substanz ist,
wird im allgemeinen weniger effektiv im Anheften der piezoelektrischen
Schicht an das Trägermaterial
gemacht. Folglich kann die Produktionsausbeute sinken, da ein höherer Anteil
der einzelnen Wandler ihre oberen Enden während des Produktionsprozesses
abgeschnitten haben kann. Zusätzlich verursacht
das Unterdrucksetzen uneinheitliche Dichten quer durch ein gegebenes
Trägermaterial. Daher
variiert die akustische Impedanz (das Produkt aus der Dichte und
der Schallgeschwindigkeit) quer durch das Trägermaterial, was einzelne Wandler
mit stark divergierenden Charakteristika zur Folge hat. Außerdem erfordert
das Unterdrucksetzen eine lange Aushärtzeit für das Trägermaterial. Somit besteht Bedarf
für ein
Trägermaterial
und ein Verfahren zum Aufbringen, welche die Ertragsreproduzierbarkeit verbessert,
die Herstellungszeit verringert und effizientere Wandler produziert.
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GB-A-1266144 offenbart einen Ultraschallwandler
mit einer leitenden Trägerschicht,
die silberbeschichtete Glasskugeln und einen Wolframpuder aufweist,
wobei das Füllstoff/Harz-Gemisch im wesentlichen
aus 40 Gewichtsprozent silberbeschichteten Glasskugeln besteht.
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Demzufolge ist es ein Ziel der Erfindung,
ein Wandler-Trägermaterial
und ein Verfahren zum Aufbringen des Trägermaterials auf den Wandler
bereitzustellen, welche die Effizienz des Wandlers erhöhen.
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Gemäß der Erfindung wird dies durch
die Merkmale der Ansprüche
1, 6, 11 oder 15 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die Erfindung ist auf ein Trägermaterial
und ein Verfahren zum Aufbringen gerichtet, welche die Ertragsreproduzierbarkeit
verbessern, die Herstellungszeit verringern und effizientere Wandler
produzieren. Dazu weist ein Wandler-Trägermaterial ein klebriges Epoxidharz
auf, in dem Wolframpartikel und Silberpartikel verteilt sind, die
Späne oder
Puder sein können.
Ein Verfahren zum Aufbringen weist die Schritte des Gießens eines
Gemischs aus Epoxidharz, Wolframpartikeln und Silberpartikeln in
eine Gießform,
die eine Schicht piezoelektrischen Materials enthält, des
Entgasens des Gemischs und des Aushärtens des Gemischs für eine Zeitdauer
auf. Vorzugsweise wird das Gemisch bei einem atmosphärischen
Druck von ungefähr
einer Atmosphäre (1.03
kg/cm2) ausgehärtet. Vorteilhafterweise kann das
Gemisch in weniger als 24 Stunden ausgehärtet werden.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale,
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
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Die Erfindung ist in den Figuren
der beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Bestandteile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend veranschaulicht,
wobei:
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1 eine
Querschnittsseitenansicht einer Gießform ist, die Materialien
enthält,
welche zum Formen eines Wandler-Sandwichs
verwendet werden;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Wandler-Sandwichs ist, das in der Gießform aus 1 hergestellt wurde;
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3 eine
Darstellung eines akustischen Bildes des Wandler-Sandwichs aus 2 ist;
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4 ein
Blockdiagramm eines Wandlers ist, der aus dem Wandler-Sandwich aus 2 gefräst wurde;
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5 eine
Querschnittsseitenansicht des in 4 dargestellten
Wandlers ist; und
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6 eine
Querschnittsseitenansicht des in 4 dargestellten
Wandlers gemäß einer
alternativen Ausführungsform
ist.
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Wie in 1 dargestellt,
wird eine piezoelektrische Wandler-Charge oder "Sandwich" 10 durch Gießen in eine
Gießform 12 hergestellt.
Der Wandler-Sandwich 10 weist typischerweise zumindest
drei Komponenten auf: eine Schicht aus piezoelektrischem Material 14,
eine akustische Impedanzanpassungsschicht 16 und eine Schicht
aus Trägermaterial 18.
Das Trägermaterial 18 befindet
sich oberhalb des piezoelektrischen Materials 14 in der
Gießform 12. Das
piezoelektrische Material 14 befindet sich oberhalb der
akustischen Impedanzanpassungsschicht 16 und unterhalb
des Trägermaterials 18 in
der Gießform 12.
Die Grenzflächen
des piezoelektrischen Materials 14 sind jeweils mit einer
dünnen
Metallauflage 13 bedeckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Wandler-Sandwich 10 quer
durch seine drei Schichten 14, 16, 18 elektrisch
leitend. Es ist jedoch selbstverständlich, dass das Wandler-Sandwich 10 alternativ
aus nichtleitenden Materialien hergestellt werden kann. Gleichermaßen muss
das Sandwich 10 nicht notwendigerweise als piezoelektrisches Wandler-Sandwich
hergestellt werden; folglich kann die piezoelektrische Schicht 14
im Herstellungsverfahren durch ein alternatives Material ersetzt
werden. In der hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
wird jedoch ein piezoelektrisches Material, wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat
(PZT) 14 verwendet.
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Vorzugsweise wird die PZT Schicht 14 auf beiden
Oberflächen
vor dem Platzieren in der Gießform 12 mit
einer dünnen
Metallauflage 13 überzogen,
wie zum Beispiel eine Goldplattierung oder eine Gold-über-Nickelplattierung.
Im Anschluss wird die Anpassungsschicht 16 auf die metallbeschichtete PZT
Schicht 14 entsprechend einem bevorzugten Verfahren aufgebracht,
welches in der verwandten U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer
[noch nicht zugeteilt, Lyon & Lyon
Aktenzeichen 224/157], betitelt "Method
of Applying a Matching Layer to a Transducer", eingereicht am selben Tag als die
vorliegende Anmeldung, offenbart und beschrieben wird. In der bevorzugten
Ausführungsform
wird, nachdem die Anpassungsschicht 16 an die PZT Schicht 14 angeheftet
wurde, die Kombination der Schichten 14, 16 mit
der Anpassungsschicht nach unten weisend in die Gießform 12 platziert.
Im Anschluss wird das Trägermaterial 18 auf
die Oberseite der PZT Schicht 14 in die Gießform 12 gegossen, entgast, über die
Zeit trocknen gelassen oder ausgehärtet. In anderen Ausführungsformen
wird die Anpassungsschicht nach der Ausbildung der PZT/Trägermaterial 14, 18-Kombination
angebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
lässt man
das Wandler-Sandwich 10 in der Gießform 12 ohne Unterdrucksetzen
trocknen. Somit härtet
das Trägermaterial 18 beim
normalen Atmosphärendruck von
einer Atmosphäre
oder ungefähr
14.7 Pfund pro Quadratinch (psi) (1 kg/cm2)
aus. Die Trocknungszeit beträgt
bei einem Druck von einer Atmosphäre weniger als einen Tag und
beträgt
im allgemeinen 16 Stunden oder weniger. Einmal trocken, wird das Sandwich 10 aus
der Gießform 12 entfernt
und "auf den Kopf
gestellt", wie in 2 gezeigt. Einzelne Wandler 20, 22 (der
Einfachheit halber sind nur zwei gezeigt; es ist jedoch selbstverständlich,
dass eine Charge 10 im allgemeinen eine weitaus größere Anzahl
hervorbringt) werden gestanzt oder gefräst, in die Oberseite oder die
PZT 14/ Anpassungsschicht 16-Seite des Sandwichs 10,
wodurch eine "Waffel" erzeugt wird.
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Das Trägermaterial 18 der
Erfindung weist ein klebriges Epoxidharz auf. Das Trägermaterial 18 enthält ferner
Wolframpartikel und Silberpartikel, die in das Epoxidharz gemischt
werden. In einigen Ausführungsformen
sind die Silberpartikel Späne.
In anderen Ausführungsformen
wird Silberpuder verwendet. Die Wolframpartikel verändern die
charakteristische Impedanz des Trägermaterials 18. In
einer Ausführungsform
werden zwei Größen von
Wolframpartikeln – ungefähr 55 μm bzw. 6.6 μm im Durchmesser – und Silberspäne von etwa
20 μm im
Durchmesser verwendet. Im Trägermaterial
der Erfindung beträgt das
Verhältnis
von Wolframpartikeln zu Harzmaterial ungefähr vierzig Prozent, und das
Verhältnis
von Silberspänen
zu Harzmaterial beträgt
ungefähr
fünfzig Prozent.
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Die Gegenwart von Silberspänen im Epoxidharz
erbringt eine gleichmäßige elektrische
Leitfähigkeit
quer über
das Trägermaterial 18,
wobei das Erfordernis gemindert wird, die elektrische Leitfähigkeit durch
Unterdrucksetzen des Trägermaterialgemischs 18 während der
Herstellung des Wandler-Sandwichs 10 zu
erhöhen.
Ohne Unterdrucksetzen verbleibt jedoch nach dem Aushärten ein
größerer Anteil
Harz im Trägermaterial 18.
Im Trägermaterial
der Erfindung wird ein klebriges Epoxidharz verwendet. Im Gegensatz
zu verkapseltem Weichgel erzeugt das Epoxidharz nach dem Trocknen
oder Aushärten
eine stärkere
Adhäsion
zwischen der PZT Oberfläche 14 und
dem Trägermaterial 18.
Damit wird eine kleinere Zahl einzelner Wandler von jedem Sandwich 10 verloren.
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Das Aushärten des Sandwichs 10 ohne Druck
dauert zwischen einem Sechstel bis einem Viertel der Zeit, unter
Druck auszuhärten.
Außerdem kann
das Aushärten
des Sandwichs 10 unter Druck im Trägermaterial 18 variierende
akustische Impedanzen quer durch ein gegebenes Sandwich 10 erzeugen,
wie in 3 dargestellt.
Wie gezeigt, unterscheidet sich die akustische Impedanz in der Mitte 24d des
Trägermaterials 18 von
der akustischen Impedanz in einem konzentrischen Ring 24c,
welche sich von der akustischen Impedanz in einem konzentrischen
Ring 24b mit größerem Durchmesser
unterscheidet, welche sich noch von der akustischen Impedanz am
Rand 24a des Trägermaterials 18 unterscheidet.
Die akustische Impedanz, die als Dichte multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit
definiert ist und in Millionen Rayls, oder Mrayls, oder Millionen
Kilogramm pro Sekunde pro Quadratmeter (106 kg/m2·s)
gemessen wird, ist ein grundlegendes Konstruktionscharakteristikum
eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers. Folglich können ein
Wandler 26, der aus der Mitte 24d des Trägermaterials 18 hergestellt
wurde, und ein Wandler 20, der aus dem Rand 24a des
Trägermaterials 18 hergestellt
wurde, stark divergierende Betriebseigenschaften aufweisen, falls das
Trägermaterial 18 während der
Herstellung unter Druck gesetzt wurde. In einigen Ausführungsformen werden
die Wandler aus dem Trägermaterial 18 gestanzt.
In anderen Ausführungsformen
werden die Wandler aus dem Trägermaterial
gefräst.
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Somit beseitigt, wie oben diskutiert,
die Verwendung von Silberspänen
in einem klebrigen Epoxidharz das Erfordernis, das Trägermaterial 18 unter Druck
zu setzen, bis es in der Gießform 12 trocknet, ohne
die elektrische Leitfähigkeit
oder die Produktionsausbeute pro Sandwich 10 zu opfern.
Das Fehlen von Druck beschleunigt nicht nur den Produktionsdurchsatz
und verbessert die Konstruktionsgleichmäßigkeit für ein gegebenes Sandwich 10,
sondern erhöht
auch die Effizienz der Wandler. Wie in 4 gezeigt, werden Schalldruckwellen 28, 30 in
der PZT Schicht 14 eines Wandlers 32 durch die
Applikation eines elektrischen Signals 34 quer durch die
PZT Schicht 14 über
die Anschlussleiter 36, 38 initiiert. Die Wellen 28, 30 pflanzen
sich in entgegengesetzte Richtungen fort, wobei Welle 28 zur
Rückseite
des Wandlers 32 wandet, und sich Welle 30 zur
Vorderseite des Wandlers 32 bewegt. An der Vorderseite des
Wandlers 32 befindet sich ein Targetmaterial oder Gewebe 40,
das in Kontakt mit der Anpassungsschicht 16 steht. Das
Gewebe weist im allgemeinen eine akustische Impedanz von ungefähr 1.5 MRayls auf.
Die Anpassungsschicht 16 ist vorzugsweise konstruiert,
eine akustische Impedanz von etwa 6 MRayls zu besitzen. Die PZT
Schicht 14 hat vorzugsweise eine akustische Impedanz von
etwa 33 MRayls. Falls zum Aushärten
unter Druck gesetzt, erreicht das Trägermaterial 18 im
allgemeinen eine akustische Impedanz von etwa 20 MRayls. Bei fehlendem
Druck während
des Trocknens weist das Trägermaterial 18 jedoch
eine akustische Impedanz von ungefähr 7.5 MRayls auf. Es ist bekannt,
dass je besser die akustischen Impedanzen eines Paars aneinandergrenzender
Medien, durch die sich eine Ultraschallwelle 42 fortpflanzt,
angepasst sind, desto kleiner ist der Anteil 44 der Welle 42,
der reflektiert wird, sobald die Welle 42 die Grenze zwischen
den zwei Medien passiert. In einem Wandler 32 ist es Idealerweise
wünschenswert,
dass alle Schalldruckwellen zur Vorderseite des Wandlers 32 wandern.
Damit ist der Wandler 32 effizienter, wenn der reflektierte
Anteil 44 einer jeden Ultraschallwelle 42 maximiert
ist. Das Gegenteil des oben genannten Axioms ist, dass je weniger
gut die akustischen Impedanzen angepasst sind, desto größer ist
der Anteil 44 der Welle 42, der an der Grenze
reflektiert wird, und desto effizienter ist der Wandler 32.
Die akustische Impedanz des Trägermaterials 18 ist
bei fehlendem Druck während
der Herstellung weniger gut an die akustische Impedanz der PZT Schicht 14 angepasst.
Daher ist ein Wandler 32, der ohne Druck hergestellt wurde,
im allgemeinen effizienter als einer, der während der Herstellung Druck
unterworfen wurde.
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Wie in 5 dargestellt,
weist ein einzelner, elektrisch leitender, piezoelektrischer Wandler 32 vorzugsweise
ein distales Gehäuse 46 auf.
Das Gehäuse 46 hält das Wandlermaterial
derart, dass die Anpassungsschicht zur Vorderseite des Wandlers 32 weist,
i. e. die Seite des Wandlers, die gegen das Targetmaterial (nicht
gezeigt) gerichtet ist. Die PZT Schicht 14 befindet sich
zwischen der Anpassungsschicht 16 und der Trägerschicht 18.
Das distale Gehäuse 46 kann
zum Beispiel aus Edelstahl hergestellt sein. Eine erste Zuleitung 48 ist
mit der Anpassungsschicht 16 verbunden, und eine zweite
Zuleitung 50 ist mit dem Gehäuse 46 verbunden.
Die Zuleitungen 48, 50 können an eine Transmissionsleitung
(nicht gezeigt) angeschlossen sein, sodass in einer bevorzugten
Ausführungsform
ein elektrisches Signal von der ersten Zuleitung 48 durch
die Anpassungsschicht 16, durch die PZT Schicht 14,
durch das Trägermaterial 18 und
durch das distale Gehäuse 46 zur
zweiten Zuleitung 50 übertragen
werden kann. In einer Ausführungsform
misst das Gehäuse 46 von
der Vorder- zur Rückseite
ungefähr
0.73 mm (0.029 Inch).
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6 stellt
eine alternative bevorzugte Ausführungsform
eines piezoelektrischen Wandlers 32 dar. Das distale Gehäuse 46 in 6 braucht nicht leitend
zu sein. Demzufolge ist die Zuleitung 50 direkt mit einer
Oberfläche
der Trägerschicht 18 verbunden und
erstreckt sich zusammen mit der ersten Zuleitung 48 durch
das distale Gehäuse 46.
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Es wurden nur bevorzugte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben, wenngleich es für den Durchschnittsfachmann
offensichtlich ist, dass zahlreiche Veränderungen getätigt werden
können,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, abzuweichen.
Daher ist die Erfindung nicht einschränkend außer in Übereinstimmung mit den nachfolgenden
Ansprüchen.