EP1188160A1 - Dämpfungsmaterial für ultraschallwellen - Google Patents

Dämpfungsmaterial für ultraschallwellen

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EP1188160A1
EP1188160A1 EP00952850A EP00952850A EP1188160A1 EP 1188160 A1 EP1188160 A1 EP 1188160A1 EP 00952850 A EP00952850 A EP 00952850A EP 00952850 A EP00952850 A EP 00952850A EP 1188160 A1 EP1188160 A1 EP 1188160A1
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EP
European Patent Office
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damping material
damping
transducer
housing
ultrasonic transducer
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EP00952850A
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English (en)
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EP1188160B1 (de
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Martin Heinz
Werner Georg Becker
Jürgen MEICHE
Thomas Hahn
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/22—Mountings; Casings
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the present invention relates to a novel damping material for ultrasonic waves, an ultrasonic transducer which is damped with this damping material, and a method for producing a damping layer for an ultrasonic transducer.
  • ultrasonic transducers are used to emit an ultrasonic pulse and subsequently to receive backscattered echo signals. If there is no acoustic damping of the piezoelectric oscillator generating the ultrasonic wave in these ultrasonic transducers, the transducer shows a very narrow-band behavior. Because of this narrow-band behavior, it lasts
  • a damping material made of polyurethane foam is known from DE 33 01 848. However, this material also has the same disadvantages as have already been described in connection with the damping material of DE 41 40 040.
  • DE 42 30 773 proposes adding fillers with a high solids content to the damping material.
  • a damping layer becomes one Silicone elastomer is used, to which a powder fraction of more than 55% A1 2 0 3 as a diffuser and more than 2% Fe 2 0 3 is added to increase the mass and thus the acoustic impedance.
  • the damping properties of this mixture are significantly improved due to the better adapted acoustic impedance compared to the pure damping material.
  • the production of this damping layer is problematic, however, since the resulting mass of damping material and filler powder becomes difficult to mix with increasing solids content and can no longer be poured.
  • the damping material consists of a polyurethane system that contains tungsten powder as a filler.
  • US 4528652 discloses a casting resin to which heavy metal oxide powders are added.
  • hollow glass spheres or glass dust are added to the damping material as scattering bodies.
  • US 4382201 also uses a damping material,
  • Polyvinyl chloride one with which tungsten powder is added to increase the acoustic impedance.
  • the object of the present invention is now to provide a damping material which has good damping properties and can be processed inexpensively and completely automatically.
  • damping material according to the invention has the further advantage that it is easy to process and in particular can be poured into the housing of an ultrasonic transducer.
  • a hot melt adhesive as a damping material offers the additional advantage of very good fixation of the damping layer within the converter housing. Furthermore, it has been shown that the
  • the novel damping material according to the invention thus combines the advantages of inexpensive production of piezoelectric ultrasonic transducers in large quantities with the very good damping properties that only damping masses with a very high filler content can achieve.
  • the good damping properties of the present damping material have been determined on all common, commercially available hot melt adhesives.
  • the thermoplastic materials used in hot melt adhesives include, in particular, polyamides, polyesters, polyolefins, reactive urethanes, polyvinyl butyrals, polyisobutylene, ethylene / ethyl acrylate copolymers and ethylene / vinyl acetate copolymers.
  • the group of polyamides has shown particularly good damping properties.
  • Polyamides are semi-crystalline thermoplastics, the crystallinity of which is largely determined by the processing conditions. The strong polar character of the amide group causes a hydrogen bond between neighboring molecular chains, so that laminar structures with an extension of 500 to 1000 nm are formed.
  • polyamides have the advantage of being harmless to health for commercial use.
  • the proportion of scatter in the total damping can be increased in a targeted manner.
  • the fillers are selected according to their acoustic properties, such as wave impedance, and their particle size is matched to the desired scattering phenomenon (geometric scattering, resonance scattering, Rayleigh scattering) and the hot melt adhesive or thermoplastic used.
  • the damping material is melted using an automatic hot-melt adhesive casting system and poured under a pressure of 2 ⁇ 10 5 - 60 ⁇ 10 5 Pa into the housing of the ultrasound transducer, in which the transducer body is located.
  • Such a method is shown in more detail in the exemplary embodiment.
  • damping material it is also possible to first pour the damping material into appropriate molds that correspond to the inner volume of the housing of the ultrasonic transducer. After cooling, the damping bodies are then removed from the mold and glued into the housing or pressed against the transducer body from behind. To seal the damping material, a layer of cast resin can then be applied to the surface of the damping layer that is exposed on the back.
  • FIG. 1 shows an example of an ultrasonic transducer in a mold for pouring the liquid damping material
  • FIG. 2 shows an example of an ultrasound transducer with a damping layer on the back, in which contact pins for the electrical connection to the transducer body are additionally embedded in the damping layer.
  • the typical structure of an ultrasonic transducer can be seen in FIG.
  • the transducer is composed of the transducer housing 3, the transducer body 1, an adhesive layer 2, which connects the transducer body to the bottom of the transducer housing 3, and the electrical contact wires 4 for the transducer body.
  • the converter body is usually a piezoelectric disk, for example a piezoceramic, on the front and back of which the electrical contacts are connected
  • the bottom surface of the converter housing 3 is preferably designed as a ⁇ / 4 adaptation layer.
  • the sound-emitting surface of the ultrasonic transducer is formed by the floor area.
  • the damping layer 5 is provided on the side of the piezoceramic 1 facing away from the base surface.
  • the easiest way to make the cushioning layer i.e. Introducing the damping material into the converter housing 3 consists in filling the thermoplastic material directly with a temperature-controlled or unregulated hot-melt gun.
  • a thermoplastic plastic or a hot-melt adhesive is used here, which has a melting temperature of below 300 ° C., in order not to damage the piezoceramic during filling by excessive temperatures.
  • the damping material according to the invention is therefore preferably filled into the housing 3 with an automatic hot-melt adhesive casting system in a suitable casting tool under a pressure of 2 ⁇ 10 5 - 60 ⁇ 10 5 Pa.
  • the tool 7 is indicated in FIG. 1.
  • This tool consists of a pot-shaped first part, into which the converter housing 3 is inserted, and a cover-shaped second part, which is placed on top.
  • the runner 6 lies in the parting plane between the two mold halves.
  • the copper wires 4 for contacting the ultrasonic transducer are also placed in the parting plane.
  • thermoplastic damping material is always filled in under the same pressure and at the same temperature, so that a reproducible process and thus ultrasonic transducers with the same damping properties are guaranteed.
  • the high pressure when pouring in combination with an exact dosing of the material and an optimized sprue allows a bubble-free potting of the transducer.
  • the storage container for the damping material which is not shown here, is preferably supplied with protective gas in order to prevent water from being absorbed in the damping material.
  • the ultrasonic transducer or its housing is tempered to 50 to 60 ° C. before casting.
  • Hot melt adhesives based on polyamide are preferably suitable as hot melt adhesives for this process, which are filled into the housing at temperatures of preferably 180 ° to 210 ° C.
  • FIG. 2 shows an alternative of an ultrasonic transducer, in which contact pins are crimped onto the electrical connecting wires 4 to the transducer body 1. These can be cast into the damping layer in a defined position by appropriate design of the casting tool, so that the arrangement according to FIG. 2 is created.
  • a possible additional potting of the back of the converter with a cast resin system prevents the ingress of foreign matter and moisture into the damping material or the damping layer 5.
  • the proposed manufacturing process enables the automated production of very large numbers of particularly broadband ultrasound transducers, which until now could only be produced with manual production and thus with poor reproducibility. Another advantage is the very low manufacturing costs for the damping material.

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Description

Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen, einen Ultraschallwandler, der mit diesem Dämpfungsmaterial gedämpft wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer DämpfungsSchicht für einen Ultraschallwandler.
In vielen Anwendungsbereichen werden Ultraschall- wandler eingesetzt, um einen Ultraschallimpuls zu emittieren und nachfolgend rückgestreute Echosignale zu empfangen. Wird bei diesen Ultraschallwandlern keine akustische Bedämpfung des die Ultraschallwelle erzeugenden Piezoschwingers vorgenommen, so zeigt der Wandler ein sehr schmalbandiges Verhalten. Aufgrund dieses schmalbandigen Verhaltens dauert es nach
Anregung des Wandlers mit einem Impuls sehr lange, bis der Wandler ausgeschwungen ist. Während des Zeitraums vom Anregen des Impulses bis zum Ausschwingen des Wandlers, der sogenannten Totzeit, kann der Wandler kein akustisches Signal empfangen. Die Strecke, die der Schall während dieser Zeit im Meßmedium durchläuft, ist die Blockdistanz . Mit dem Wandler können daher keine Objekte erkannt werden, die sich innerhalb der Blockdistanz im Schallpfad befinden. Zur Verminderung der minimalen Entfernung, ab der Objekte im Schallpfad durch den Wandler erkannt werden können, muß der Ultraschallwandler so konstruiert werden, daß der Wandlerkörper möglichst schnell ausschwingt. Ultraschallwandler sind daher in der Regel mit einer DämpfungsSchicht versehen, die auf der der Wandlerfront abgewandten Seite des Wandlerkörpers aufgebracht sind. Im Stand der Technik werden unterschiedliche Dämpfungsmaterialien für diese Dämpfungsschicht eingesetzt.
So ist es aus der DE 41 40 040 bekannt, das Dämpfungsmaterial aus einem Weichgummi oder einem anderen Elastomer herzustellen, welches zusätzlich mit Luft- oder Gasblasen versehen wird. Dieses Material weist zwar eine hohe Dämpfung auf, hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der unterschiedlichen akustischen Impedanz von Dämpfungsmaterial und Wandlerkörper ein großer Anteil der Ultraschallwellen an der Grenzfläche zwischen dem Wandlerkörper und der Dämpfungsschicht reflektiert wird und daher nicht gedämpft werden kann. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz dieses Dämpfungsmaterials ist die mangelnde Reproduzierbarkeit der Menge an Gasblasen im Elastomer. Bei der Herstellung derartiger Wandler muß daher eine große Streuung der Dämpfungseigenschaften in Kauf genommen werden.
Aus der DE 33 01 848 ist ein Dämpfungsmaterial aus Polyurethanschaum bekannt. Auch dieses Material weist jedoch die gleichen Nachteile auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Dämpfungsmaterial der DE 41 40 040 dargestellt worden sind.
Zur Beseitigung der obigen Nachteile der unterschiedlichen akustischen Impedanzen von Dämpfungs- material und Wandlerkörper wird in der DE 42 30 773 vorgeschlagen, dem Dämpfungsmaterial Füllstoffe mit einem hohen Feststoffgehalt beizufügen. So wird in dieser Druckschrift eine Dämpfungsschicht aus einem Silikonelastomer eingesetzt, dem ein Pulveranteil von mehr als 55% A1203 als Streukörper und mehr als 2% Fe203 zur Erhöhung der Masse und somit der akustischen Impedanz beigemischt wird. Die Dämpfungseigenschaften dieser Mischung sind aufgrund der besser angepaßten akustischen Impedanz gegenüber dem reinen Dämpfungsmaterial deutlich verbessert. Die Herstellung dieser Dämpfungsschicht gestaltet sich jedoch problematisch, da die entstehende Masse aus Dämpfungsmaterial und Füllstoffpulver mit zunehmendem Feststoffanteil schwer mischbar wird und sich nicht mehr gießen läßt.
Auch in der DE 44 24 194 wird ein Dämpfungsmaterial vorgeschlagen, dem zur Erhöhung der akustischen Impedanz Füllstoffe beigemischt werden. In dieser Schrift besteht das Dämpfungsmaterial aus einem Polyurethan-System, das Wolframpulver als Füllstoff enthält.
In der US 4800316 wird ein Dämpfungsmaterial aus Epoxidharz vorgeschlagen, das mit Wolframpulver und Ceriumoxidpulver vermischt ist.
Schließlich offenbart die US 4528652 ein Gießharz, das mit schweren Metalloxidpulvern versetzt wird. Zusätzlich werden dem Dämpfungsmaterial Glashohlkugeln oder Glasstaub als Streukörper beigemischt. Auch die US 4382201 setzt ein Dämpfungsmaterial,
Polyvinylchlorid, ein, dem zur Erhöhung der akustischen Impedanz Wolframpulver beigemischt ist.
Die bisher beschriebenen Wege zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften eines Ultraschallwandlers haben gemeinsam, daß neben dem Grundmaterial ein beträchtlicher Anteil an Füllstoffen erforderlich ist, der sowohl die spezifische Masse als auch die Schall- geschwindigkeit in der Dämpfungsschicht erhöht. Zusätzlich werden in der Regel Streukörper in Form von Luftblasen oder Körnern in der Größe der Schallwellenlänge zur Dämpfung des Schalls in das Dämpfungsmaterial eingebracht. Bei all diesen Systemen muß der Füllstoff- anteil vergrößert werden, um die gewünschte Bedämpfung zu erhöhen.
Der Nachteil dieser bekannten Dämpfungsmaterialien besteht nun darin, daß zur Herstellung eines sehr breitbandigen Ultraschallwandlers der Füllstoffanteil so stark erhöht werden muß, daß weder eine maschinelle Vermischung der Komponenten noch ein automatisiertes Vergießen des Wandlers möglich ist. Das Material kann nur noch manuell gemischt und eingeknetet werden.
Daraus resultieren jedoch hohe Kosten bei gleichzeitig geringer Stückzahl und schlechter Reproduzierbarkeit der Dämpfungseigenschaften. Weiterhin ist der Materialeinsatz sehr aufwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Dämpfungsmaterial anzugeben, das gute Dämpfungseigenschaften aufweist und kostengünstig und vollständig automatisiert verarbeitet werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 gelöst . Die Ansprüche 4 und 8 geben einen Ultraschallwandler mit dem Dämpfungsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler mit diesem Dämpfungsmaterial an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Dämpfungsmaterials, des Ultraschallwandlers sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß mit dem Einsatz von nicht geschäumten Schmelzklebern oder von nicht geschäumten thermoplastischen Kunst- Stoffen, die in Schmelzklebern eingesetzt werden, als Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften erreicht werden. Die Vermessung der Dämpfungseigenschaften von Ultraschallwandlern, die mit dieser Dämpfungsmasse versehen wurden, ergab sogar verbesserte Dämpfungseigenschaften als die von Ultraschallwandlern, die mit einem herkömmlichen Dämpfungsmaterial mit einem hohen Füllstoffanteil aufgebaut wurden. Hierbei ist hervorzuheben, daß die besseren Dämpfungseigenschaften mit dem erfindungs- gemäßen Dämpfungsmaterial ohne Zugabe von Füllstoffen erreicht wurden.
Überraschenderweise hat sich hierbei gezeigt, daß entgegen der aus dem Stand der Technik des Einsatzes aufgeschäumter Materialien zur Erzielung der erforderlichen Dämpfung der Einsatz der erfindungsgemäßen Stoffe in ungeschäumter Form zu hervorragenden Dämpfungseigenschaften führt. Gerade ein Einsatz eines ungeschäumten Schmelzklebers auf Polyamidbasis zeigt hierbei um Größenordnungen bessere Dämpfungs- eigenschaften für Ultraschall als ein anderer geschäumter Schmelzkleber auf beliebiger Materialbasis.
Weiterhin wurde mit dem vorliegenden Dämpfungsmaterial eine erheblich bessere Reproduzierbarkeit der Dämpfungseigenschaften erzielt, als dies bei der Herstellung von Ultraschallwandlern mit den Dämpfungsmaterialien des Standes der Technik möglich war. Diese vorteilhaften Eigenschaften schlagen sich in einem Frequenzgang mit höherer Linearität bei gleichzeitig verbesserter Bandbreite nieder.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterials hat den weiteren Vorteil, daß dieses leicht zu verarbeiten ist und insbesondere in das Gehäuse eines Ultraschallwandlers eingegossen werden kann. Die Verwendung eines Schmelzklebers als Dämpfungsmaterial bietet den zusätzlichen Vorteil der sehr guten Fixierung der Dämpfungsschicht innerhalb des Wandler- gehäuses . Weiterhin hat sich gezeigt, daß die
Temperaturabhängigkeit der Dämpfungseigenschaften bei Verwendung eines Schmelzklebers als Dämpfungsmaterial etwa um den Faktor 2 geringer als bei den bekannten Dämpfungsmaterialien des Standes der Technik ist. Die günstige Verfügbarkeit von Schmelzklebern sowie die leichte Verarbeitung reduzieren die Produktionskosten von Ultraschallwandlern und führen damit zu einer deutlichen Kostensenkung bei der Herstellung.
Das erfindungsgemäße neuartige Dämpfungsmaterial vereint somit die Vorteile einer kostengünstigen Produktion von piezoelektrischen Ultraschallwandlern in großen Stückzahlen mit den sehr guten Dämpfungseigen- schatten, wie sie nur Dämpfungsmassen mit sehr hohem Füllstoffanteil erreichen.
Die guten Dämpfungseigenschaften des vorliegenden Dämpfungsmaterials wurden an allen gängigen, kommer- ziell erhältlichen Schmelzklebern festgestellt. Die thermoplastischen Kunststoffe, die in Schmelzklebern eingesetzt werden, umfassen insbesondere Polyamide, Polyester, Polyolefine, reaktive Urethane, Polyvinyl- butyrale, Polyisobutylen, Ethylen/Ethylacrylat- Copolymere und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere. Besonders gute Dämpfungseigenschaften hat in diesem Zusammenhang die Gruppe der Polyamide gezeigt. Polyamide sind teilkristalline Thermoplaste, deren Kristallinität in hohem Maße durch die Verarbeitungs- bedingungen bestimmt wird. Der starke polare Charakter der Amidgruppe bewirkt eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen benachbarten Molekülketten, so daß laminare Strukturen mit einer Ausdehnung von 500 bis 1000 nm entstehen. Außerdem bilden sich, besonders bei langsamer Abkühlung, große Sphärolithstrukturen. In wie weit diese Eigenschaften der Polyamide die Dämpfung von Ultraschallwellen begünstigen, kann jedoch nicht verifiziert werden. Polyamide haben jedoch für den kommerziellen Einsatz den Vorteil der gesundheitlichen Unbedenklichkeit .
Selbstverständlich kann durch den Zuschlag pulver- oder faserförmiger Füllstoffe zum Dämpfungsmaterial, ebenso wie im Stand der Technik, der Streuanteil an der Gesamtdämpfung gezielt gesteigert werden. Die Füllstoffe werden hierzu nach ihren schalltechnischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem Wellenwiderstand, ausgewählt und in ihrer Partikelgröße auf das angestrebte Streuphänomen (geometrische Streuung, Resonanzstreuung, Rayleigh-Streuung) und den verwendeten Schmelzklebstoff oder thermoplastischen Kunststoff abgestimmt.
Zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial gibt es unterschiedliche Wege. Bei einer bevorzugten Technik wird das Dämpfungsmaterial mit einer automatischen Schmelzklebstoff-Vergußanlage aufgeschmolzen und unter einem Druck 2 x 105 - 60 x 105 Pa in das Gehäuse des Ultraschallwandlers, in dem sich der Wandlerkörper befindet, eingegossen. Ein derartiges Verfahren ist im Ausführungsbeispiel näher dargestellt.
Es ist jedoch ebenso möglich, das Dämpfungsmaterial zunächst in entsprechende Formen zu vergießen, die dem Innenvolumen des Gehäuses des Ultraschallwandlers entsprechen. Nach Abkühlung werden die Dämpfungskörper dann aus der Form genommen und in das Gehäuse eingeklebt bzw. an den Wandlerkörper von hinten angepreßt. Zur Versiegelung des Dämpfungsmaterials kann anschließend eine Schicht aus Gießharz auf die rückseitig offenliegende Oberfläche der Dämpfungsschicht aufgebracht werden.
Der Aufbau eines Ultraschallwandlers mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial sowie die Einbringung des Dämpfungsmaterials in einen derartigen Ultraschallwandler werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 beispielhaft einen Ultraschallwandler in einer Form zum Eingießen des flüssigen Dämpfungsmaterials; und Figur 2 ein Beispiel für einen Ultraschallwandler mit rückseitiger DämpfungsSchicht, bei dem zusätzlich Kontaktstifte zur elektrischen Verbindung mit dem Wandlerkörper in die Dämpfungsschicht eingebettet sind. In Figur 1 ist der typische Aufbau eines Ultraschallwandlers zu erkennen. Der Wandler setzt sich aus dem Wandlergehäuse 3, dem Wandlerkörper 1, einer KlebstoffSchicht 2, die den Wandlerkörper mit dem Boden des Wandlergehäuses 3 verbindet, sowie den elektrischen Kontaktdrähten 4 für den Wandlerkörper zusammen. Der Wandlerkörper ist in der Regel eine piezoelektrische Scheibe, beispielsweise eine Piezokeramik, an deren Vorder- und Rückseite die elektrischen Kontakte zur
Anregung eines Ultraschallimpulses angebracht sind. Die Bodenfläche des Wandlergehäuses 3 ist vorzugsweise als λ/4 Anpassungsschicht ausgeführt. Die schallabstrahlende Oberfläche des Ultraschallwandlers wird durch die Bodenfläche gebildet. Auf der der Bodenfläche abgewandten Seite der Piezokeramik 1 ist die Dämpfungsschicht 5 vorgesehen.
Die einfachste Methode, die Dämpfungsschicht herzustellen, d.h. das Dämpfungsmaterial in das Wandlergehäuse 3 einzubringen, besteht darin, das thermoplastische Material mit einer temperaturgeregelten oder ungeregelten Heißklebepistole direkt einzufüllen. Selbstverständlich wird hierbei ein thermoplastischer Kunststoff bzw. ein Schmelzkleber verwendet, der eine Schmelztemperatur von unter 300°C aufweist, um die Piezokeramik beim Einfüllen nicht durch zu hohe Temperaturen zu beschädigen.
Der Nachteil bei der Verwendung einer temperatur- geregelten Heißklebepistole besteht allerdings darin, daß die Verfüllung nicht immer blasenfrei gelingt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial daher mit einer automatischen Schmelzklebstoff-Vergußanlage in einem passenden Vergußwerkzeug unter einem Druck 2 x 105 - 60 x 105 Pa in das Gehäuse 3 eingefüllt. Das Werkzeug 7 ist hierzu in Figur 1 angedeutet. Dieses Werkzeug besteht aus einem topf- förmigen ersten Teil, in das das Wandlergehäuse 3 eingelegt wird, und einem deckeiförmigen zweiten Teil, der oben aufgesetzt wird. In dem oberen Teil liegt der Angußkanal 6 in der Trennebene zwischen den beiden Werkzeughälften. Die Kupferdrähte 4 für die Kontak- tierung des Ultraschallwandlers werden ebenfalls in die Trennebene gelegt. Der erwärmte Schmelzkleber bzw. thermoplastische Kunststoff wird über den Angußkanal in das Gehäuse eingepreßt. Das Werkzeug 7 wird während dieses Prozesses durch eine Wasserkühlung auf einer konstanten Temperatur gehalten, damit der Prozeß stabil bleibt. Das thermoplastische Dämpfungsmaterial wird bei einem Serienfertigungprozeß immer unter gleichem Druck und bei gleicher Temperatur eingefüllt, so daß ein reproduzierbarer Prozeß und somit Ultraschallwandler mit gleichen Dämpfungseigenschaften gewährleistet sind. Der hohe Druck beim Eingießen ermöglicht in Verbindung mit einer exakten Dosierung des Materials und einem optimierten Angußkanal einen blasenfreien Verguß des Wandlers .
Der Vorratsbehälter für das Dämpfungsmaterial, der hier nicht gezeigt ist, wird vorzugsweise mit Schutzgas beaufschlagt, um eine Aufnahme von Wasser im Dämpfungs- material zu verhindern. Zur Verbesserung der Haftung des Dämpfungsmaterials an dem keramischen Wandlerkörper 1 und am Gehäuse 3 wird der Ultraschallwandler bzw. sein Gehäuse vor dem Verguß auf 50 bis 60°C temperiert. Als Schmelzkleber für diesen Prozeß kommen vorzugsweise Schmelzkleber auf Polyamidbasis in Frage, die bei Temperaturen von vorzugsweise 180° - 210° C in das Gehäuse eingefüllt werden.
Figur 2 zeigt eine Alternative eines Ultraschallwandlers, bei dem an die elektrischen Verbindungsdrähte 4 zum Wandlerkörper 1 Kontaktstifte angecrimt sind. Diese können durch eine entsprechende Auslegung des Vergußwerkzeuges in definierter Position in die Dämpfungsschicht eingegossen werden, so daß die Anordnung gemäß Figur 2 entsteht.
Ein eventuell zusätzlicher Verguß der Wandlerrückseite mit einem GießharzSystem verhindert das Eindringen von Fremdstoffen und Feuchtigkeit in das Dämpfungsmaterial bzw. die Dämpfungsschicht 5.
Der vorgeschlagene Herstellungsprozeß ermöglicht die automatisierte Produktion von sehr großen Stückzahlen besonders breitbandiger Ultraschallwandler, die bisher nur bei manueller Fertigung und somit mit schlechter Reproduzierbarkeit hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in den sehr niedrigen Herstellungskosten für das Dämpfungsmaterial.

Claims

Patentansprüche
1. Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen, das sich als Hauptbestandteil aus einem ungeschäumten Schmelzkleber oder aus einem ungeschäumten thermoplastischen Kunststoff, der in Schmelzklebern eingesetzt wird, zusammensetzt.
2. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff ein Polyamid ist.
3. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2 , das zusätzlich Füllstoffe zur Erhöhung der akustischen Impedanz oder als Streukörper enthält.
4. Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper (1), der an einer Bodenfläche eines Gehäuses (3) angeordnet und an einer der Bodenfläche abgewandten Seite mit einer Dämpfungsschicht (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht (5) aus einem Dämpfungsmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche besteht .
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial in das Gehäuse (3) eingegossen ist.
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial als zumindest ein vorgefertigter Körper vorliegt, der an den Wandlerkörper (1) angepreßt wird oder am Wandlerkörper (1) angeklebt ist.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Dämpfungsschicht (5) eine Schicht aus Gießharz zur Versiegelung des Dämpfungsmaterials aufgebracht ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Dämpfungsschicht für einen Ultraschallwandler nach Anspruch 4 mit folgenden Schritten:
- Schmelzen eines Dämpfungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ;
- Einfüllen des geschmolzenen Dämpfungsmaterials in das Gehäuse mit dem Wandlerkörper; und
- Abkühlen des Dämpfungsmaterials.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Dämpfungsmaterial unter einem Druck von 2*105 - 60*105 Pa in das Gehäuse mit dem Wandlerkörper eingefüllt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einfüllen des Dämpfungsmaterials das
Gehäuse auf eine Temperatur von 50-60°C vorgewärmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abkühlen des Dämpfungsmaterials ein Gießharz auf das Dämpfungsmaterial aufgebracht wird.
EP00952850A 1999-06-18 2000-06-02 Dämpfungsmaterial für ultraschallwellen Expired - Lifetime EP1188160B1 (de)

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DE19927796A DE19927796C1 (de) 1999-06-18 1999-06-18 Dämpfungsmaterial für Ultraschallwellen
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EP1188160A1 true EP1188160A1 (de) 2002-03-20
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AT (1) ATE257268T1 (de)
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