EP2382448A1 - Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium - Google Patents

Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium

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Publication number
EP2382448A1
EP2382448A1 EP09765072A EP09765072A EP2382448A1 EP 2382448 A1 EP2382448 A1 EP 2382448A1 EP 09765072 A EP09765072 A EP 09765072A EP 09765072 A EP09765072 A EP 09765072A EP 2382448 A1 EP2382448 A1 EP 2382448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermal expansion
ultrasonic transducer
piezoelectric transducer
matching
transducer element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09765072A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Mueller
Gerhard Hueftle
Michael Horstbrink
Tobias Lang
Sami Radwan
Bernd Kuenzl
Roland Wanja
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2382448A1 publication Critical patent/EP2382448A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49005—Acoustic transducer

Definitions

  • Ultrasonic transducer for use in a fluid medium
  • the invention is based on known ultrasonic transducers, which can be used, for example, in ultrasonic flowmeters in process technology or in the automotive sector, in particular in the intake and / or exhaust tract of internal combustion engines, for volume flow or mass flow measurement.
  • ultrasound transducers are typically used which can both emit ultrasonic waves into a fluid medium (a gas and / or a liquid) and can receive ultrasonic waves.
  • ultrasonic signals are transmitted through the flowing fluid medium
  • Emitter is transmitted to a receiver and thereby measuring the transit time, runtime differences or phases of the ultrasonic signals or combinations of these measured variables. These signals are influenced by the flow of the fluid medium. From the degree of influence of the running time can be concluded that the flow velocity of the fluid medium.
  • An example of such an ultrasonic transducer which can be used for example in ultrasonic flow meters, is shown in DE 10 2007 010 500 A1. The constructions shown there can also be modified according to the invention in the context of the present invention. By means of such ultrasound transducers, for example, it is possible to obtain air quantity signals within a range
  • piezoelectric transducer elements are usually used, however, which have a high acoustic impedance difference, for example by a factor of 6 ⁇ 10 5 , to the surrounding fluid medium.
  • this high impedance difference are usually 99.9995% of the sound energy on the way from the piezoelectric transducer element back into the fluid medium at the corresponding interface reflected back and are not usable for the measurement.
  • the same reflection loss occurs again at the second, receiving piezoelectric transducer element, which may also be identical to the first transducer element.
  • measures for impedance matching are usually used.
  • ultrasound transducers are known in which one or more matching bodies, in particular matching layers, are introduced between the piezoelectric transducer element and the fluid medium for impedance matching.
  • These matching bodies have acoustic impedances which are between those of the piezoelectric transducer element and the fluid medium.
  • membranes or ⁇ / 4 layers, to which the usually thin piezoelectric element is glued, can be adapted for impedance matching.
  • a special technical challenge lies in known ultrasonic transducers in the connection between the matching body and the piezoelectric transducer element.
  • in the connection area may cause damage during thermal shock changes, which are due to different thermal expansion coefficients.
  • Coefficients of thermal expansion are often referred to as CTE designated (Coefficient of Thermal Expansion) and indicate the relative change in length per change in temperature in ppm / K and in 10 "6 / K on.
  • CTE Coefficient of Thermal Expansion
  • typical piezoceramics range between 7 ppm / K.
  • piezo ceramics tend to be extremely susceptible to microcracking or cracking
  • an ultrasonic transducer for use in a fluid medium.
  • An ultrasound transducer is generally understood to mean an element which is able to convert electrical signals into ultrasound signals and / or vice versa.
  • the proposed ultrasound transducer may be used in an ultrasonic flowmeter, in particular in the automotive field, for a speed, a mass flow, a volumetric flow, a flow rate or other fluidic quantities of a fluid medium, in particular of a gas, especially air, to measure.
  • the proposed ultrasound transducer has at least one piezoelectric transducer element and at least one matching body, in particular at least one matching layer, for promoting vibration coupling between the piezoelectric transducer element and the fluid medium.
  • the concept of the piezoelectric transducer element is to be understood broadly and includes, for example, electrical-acoustic transducers which can work according to ferroelectric, electrostatic, magnetostrictive, magnetoelectric effects or combinations of these effects.
  • the matching body serves to improve the coupling between the ultrasonic transducer and the fluid medium.
  • the matching body should therefore comprise at least one material which has an impedance which lies between the impedance of the piezoelectric transducer element, for example a piezoceramic thereof, and the impedance of the fluid medium, for example air.
  • the at least one matching body for example one at least one matching layer
  • the further embodiment of this matching body for example the matching layer
  • This compensating body may also be designed, for example, in the form of at least one intermediate layer and / or comprise such an intermediate layer.
  • the compensation body such that the thermal expansion coefficient CTE ZW ⁇ sc h e n of the compensation body between the coefficient of thermal expansion CTE P ⁇ eZ o of the piezoelectric transducer element and the coefficient of thermal expansion CTE to fit the matching body.
  • the compensating body can also have a plurality of elements (for example layers) with different coefficients of thermal expansion. Also, a continuous or discontinuous change in the coefficient of thermal expansion across the balance body is conceivable, for example in the form of a gradient of the thermal expansion coefficient.
  • the said condition shall apply to at least one of the thermal expansion coefficients of the compensating body, preferably for all.
  • the stated condition may also be used, for example, for a mean value of the thermal expansion coefficients and / or for the maximum and / or minimum thermal expansion coefficients of the compensation coefficient. body apply.
  • the thermal expansion coefficient lies CTEzwisc h e n more detail, in particular much closer to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric transducer element than the coefficient of thermal expansion CTE of matching of the matching.
  • Expansion coefficient CTE ZW ⁇ sc h e n of the compensation body and the coefficient of thermal expansion CTE P ⁇ eZ o the piezoelectric transducer element is smaller, that is smaller in magnitude, than the difference between the coefficient of thermal expansion CTE Anp ass the matching body and the coefficient of thermal expansion of the balance body CTE ZW ⁇ sc h e n -
  • the compensation body is designed such that it has at least one homogeneous and / or macroscopically at least substantially isotropic material, in particular a material mixture.
  • the term "comprising" includes both the case that includes other materials in addition to the material as well as the case that the compensation body is made entirely of such a material.
  • a homogeneous or macroscopic at least largely isotropic material is understood to mean a material which, for example, is in contrast to a macroscopically oriented material, such as a fiber material, wherein at least one dimension, preferably two or even three dimensions, should be used, at least to a scale of more than 200 ⁇ m, in particular more than 100 ⁇ m essentially no discernible inhomogeneities and / or anisotropies, for example orientations, may be present, preferably on a smaller scale, for example a scale of less than 50 ⁇ m Individual, unwanted and statistically occurring inhomogeneities, such as voids and / or impurities, may thereby also exist Keep in
  • thermal expansion coefficient CTEzwisc h e n of the compensating body in a range of less than 20 ppm / K is selected, preferably in a range of less than 15 ppm / K.
  • the matching body can for example have a thermal expansion coefficient of more than 20 ppm / K, in particular of more than 30 ppm / K.
  • the compensating body may also have a higher layer thickness than commonly used layers.
  • the compensating body may have a layer thickness, that is to say a dimension in a connecting axis between the piezoelectric transducer element and the matching body, which is at least 0.5 mm.
  • a layer thickness that is to say a dimension in a connecting axis between the piezoelectric transducer element and the matching body, which is at least 0.5 mm.
  • higher layer thicknesses for example of at least 1.0 mm and more preferably of at least 1.5 mm or more, are preferred.
  • the compensation body may in particular have a material mixture.
  • a material mixture is to be understood as meaning a material which has at least two components not chemically bonded to one another.
  • the material mixture may in particular comprise at least one matrix material and at least one filler material.
  • the matrix material may, for example, have a material that is curable and / or cured by a crosslinking process, in particular an epoxy resin.
  • the crosslinking process can be initiated, for example, chemically and / or thermally and / or photochemically, with thermal crosslinking processes being preferred.
  • epoxy resins it is also possible to use other such crosslinkable materials, but epoxy resins are preferred because of their low coefficient of thermal expansion.
  • epoxy resins are used, for example, in microelectronics, printed circuit board manufacturing, chip package manufacturing, or the like.
  • the epoxy resin can also have the required flexibility to ensure compensation of the above-described stresses between the piezoelectric transducer element and the adapter.
  • the filler material can serve to further reduce the thermal expansion coefficient.
  • conventional fillers can be used which reduce the thermal expansion coefficient of the material mixture, for example quartzes, in particular quartz flours and / or
  • Silicates and / or ceramic materials and / or fiber materials for example wise carbon fiber materials.
  • fill levels between 70 and 95 percent by mass can be used, in particular between 80 and 90 percent by mass, for example at 83 percent by mass.
  • the compensation body can be produced in various ways.
  • the compensation body can be wholly or partly produced by a casting process.
  • Different casting methods also in combination, can be used.
  • an injection molding process can be used and / or transfer molding processes and / or sheet molding processes and / or casting processes with a lost shape.
  • the compensating body can be produced directly in or on the ultrasound transducer and / or in or on a preassembly of the ultrasound transducer, for example by one or more of the mentioned methods, for example already in a housing of the ultrasound transducer and / or in a lost one remaining in the ultrasound transducer Shape.
  • This allows a shaping with a material connection with other components of the ultrasonic transducer simultaneously.
  • the shaping can be wholly or partly by the other components and / or also completely or partially by a separate tool.
  • the compensating body can also be produced completely or partially as a separate component, for example as one or more separate molded parts.
  • the ultrasonic transducer comprises at least one fixing element, which is set up in order to fix a relative position between the piezoelectric transducer element and the matching body.
  • fixing element for example, spacers, centering elements, snap-in hooks or similar elements, even in combination, can be used.
  • the compensation body can be produced, for example, by a casting process.
  • a casting process is a method to understand in which a starting material of the compensation body, for example, a precursor of the compensation body, which is still deformable, for example, pourable, is formed by means of appropriate shaping process. Simultaneously with or subsequent to the shaping, a conversion into the compensation body can then take place, for example by hardening a curable material.
  • the compensation body may also comprise at least one molded part, in particular a disc.
  • the molded part can be introduced into the ultrasonic transducer, for example in a housing of the ultrasonic transducer, for example as a separate component.
  • the molded part can of course also be produced by a casting method and / or by other methods.
  • the optional molded part can be connected to the piezoelectric transducer element and / or the matching body, in particular via a material-coherent connection.
  • a bond can be selected, wherein the molded part is bonded to the piezoelectric transducer element and / or the matching body by an adhesive, which preferably has a coefficient of thermal expansion CTE K ⁇ e b, which is between the thermal expansion coefficient CTE P ⁇ eZ o of the piezoelectric transducer elements and the coefficient of thermal expansion CTE An pass of the matching body is.
  • Intermediate grading can also be used.
  • CTE K ⁇ e b for example, for a bond between the matching body and the compensation body between CTE Anp ass and CTE K ⁇ e b lie. Additionally or alternatively, CTE K ⁇ e b for a bond between the balance body and the piezoelectric transducer between CTE ZW ⁇ schen and CTE P ⁇ eZ o lie.
  • An adhesive which is at least partially identical to a material of the compensation body can preferably be used for one or more of the said adhesions. For example, once again a filled epoxy can be used to create this cohesive connection. Other embodiments in which various adhesives are used are possible.
  • the optional molded part can be produced in various ways.
  • the molded part may comprise a plastic material, in particular a molded part in the form of an epoxy resin pane.
  • the molded part can also be wholly or partially made of a non-plastic Be prepared material, for example in the form of a molded part made of glass and / or in the form of a molded part of a ceramic. Combinations of different materials are possible.
  • the matching body can in principle be designed, for example, as a disk, layer or other way. With regard to possible embodiments of the shape of the matching body, reference may again be made, for example, to DE 10 2007 010 500 A1.
  • the compensation body can also at least partially surround the matching body and, optionally at least partially, the piezoelectric transducer element. Particularly in this case, it is particularly preferred if this fitting body is used at the same time as a casting method for producing a compensation body.
  • the ultrasonic transducer proposed above and corresponding methods for producing such an ultrasonic transducer have a multiplicity of advantages over known ultrasonic transducers and known methods.
  • the compensation body By adjusting the coefficients of thermal expansion by means of the compensation body causes either at least largely no thermally induced mechanical stress between the piezoelectric transducer element and the directly adjacent material, in this case the compensation body arises, or the tension is much smaller than that between the Compensating body and adjoining matching body.
  • the sensitive piezoelectric transducer element is thus protected from damage, such as, for example, microcracking and / or depolarization, which would frequently occur without compensating bodies during thermal shock changes.
  • this compensation body can be made relatively thick in comparison to non-homogeneous materials such as fiber braids. This implies that the greater part or the entire CTE mismatch can be displaced spatially far away from the piezoelectric transducer element, so that lower voltages also occur in the region of the piezoelectric transducer element.
  • a homogeneous compensation body instead of, for example, a fibrous intermediate layer, eliminates the difficulty of positioning a fiber mat directly on the piezoelectric transducer element and holding it there until it hardens.
  • the stability of Layers of fibers usually sensitive to the fabric structure and weave.
  • fillers are used to ensure the required CTE and these are at least largely homogeneously mixed into the compensation body, then eliminates this sensitive factor, and the fillers are necessarily directly or close enough to the piezoelectric transducer element.
  • the difficulty of ensuring the required thermal expansion coefficient directly on the piezoelectric transducer element thus shifts from a possibly difficult fiber positioning towards a preferably mostly extremely high filling of the compensation body, for example an epoxy mass of the compensation body.
  • the latter happens, however, preferably preparatory and beneficial, so that here in manufacturing a production advantage can result.
  • the compensating body can also improve the connection between the matching body and the piezoelectric transducer element in other respects.
  • the matching body can be made at least partially porous.
  • this porosity can complicate or make unstable a direct bonding between the matching body and the piezoelectric transducer element, which can seep in the adhesive, for example, in the pores.
  • This can also change the acoustic properties of the matching body.
  • this difficulty can be circumvented.
  • the porous surfaces of the matching body can be sealed by the material of the compensation body in these manufacturing processes.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with a compensation body
  • FIGS. 2A and 2B thermal shock resistance and temperature ranges for conventional ultrasonic transducers with inflexible and flexibilized epoxy adhesives
  • FIGS. 3A and 3B thermal shock resistance and temperature range of an ultrasonic transducer with compensation body according to the invention
  • FIGS. 4A to 4E show different embodiments of ultrasonic transducers according to the invention.
  • FIGS. 5A to 5D show examples of different methods for producing ultrasonic transducers according to the invention.
  • FIGS. 6A to 6C show an exemplary embodiment of a production of an ultrasound transducer with a fixing element.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an ultrasonic transducer 110 according to the invention in a sectional view from the side.
  • the ultrasonic transducer 1 10 has a piezoelectric transducer element 112, which may be configured, for example in the form of a cylindrical piezoelectric element.
  • This piezoelectric conversion element 112 can be electrically contacted, for example via two terminals 1 14, for example, contact wires, so that the piezoelectric conversion element 112 can be acted upon by these connection contacts 114, for example, with drive signals and / or signals of the piezoelectric transducer element 112 are removed via the connection contacts 114 can.
  • the ultrasonic transducer 110 comprises a matching body 116.
  • This tuning body 116 serves to improve the vibration coupling between the piezoelectric Transducer element 112 and a fluid medium, in which ultrasonic signals are to be coupled and / or from which ultrasonic signals are to be coupled into the piezoelectric transducer element 1 12.
  • the matching body 116 is thus arranged between the piezoelectric transducer element 1 12 and the fluid medium, not shown in Figure 1.
  • the matching body 116 thus serves to improve the acoustic coupling in the ultrasonic signal range.
  • this matching body 1 16 allows impedance matching.
  • the matching body 116 is configured, for example, as a layer, however, as illustrated in FIG. 1 and explained in more detail below, can also be used as a lost shape and can, for example, at least partially accommodate a compensating body 118 accommodated between the matching body 116 and the piezoelectric transducer element 112 enclose.
  • the at least one compensation body 1 18 between the matching body 1 16 and the piezoelectric transducer element 1 12 serves the solution of the above-described conflict of goals in the connection between the piezoelectric transducer element 112 and the matching body 116.
  • this coupling must guarantee sufficient thermal shock stability, so that in principle very soft couplings between the matching body 1 16 and the piezoelectric transducer element 1 12 would be preferred.
  • soft couplings are usually so flexible at elevated temperatures that they would no longer impart sufficient acoustic coupling between the piezoelectric transducer element 112 and the matching body 116.
  • less flexible couplings lead to larger temperature application ranges of the ultrasonic transducer 110, but increase the sensitivity to thermal shock changes.
  • FIGS. 2A and 2B show measurements which have been made on conventionally constructed ultrasonic transducers 110 without compensation bodies 118 according to the invention.
  • FIG. 2A shows an ultrasound amplitude, plotted as a percentage of the first measurement, as Function of a number of thermal shock cycling cycles (denoted TSW in Figure 2A). This measurement thus characterizes the thermal shock-shock stability of the ultrasonic transducers 1 10.
  • TSW thermal shock cycling cycles
  • Epoxy adhesive was used.
  • ultrasound transducers 10 with flexibilized epoxy adhesives are advantageous with regard to the thermal shock change stability since the flexibilized epoxy adhesives can compensate for thermal stresses between the matching body 16 and the piezoelectric transducer element 112.
  • the use of inflexible epoxy adhesives (curve 120) in ultrasonic transducers 110 already leads to the destruction of the ultrasonic transducers 110 after a few thermal shock changes.
  • the measurements in FIG. 2B clearly show that ultrasound transducers 110 with flexibilized epoxy adhesives (curve 126) have a significantly lower temperature Use range compared to ultrasonic transducers with inflexible epoxy adhesives (curve 122). The characteristic properties of such ultrasonic transducers 110 are thus heavily dependent on the respective temperature application range, which can vary greatly, especially in the automotive sector.
  • FIGS. 3A and 3B show measurements 128, 130, in analogous representation to FIGS. 2A and 2B, which were recorded using an ultrasound transducer 110 according to the invention, for example according to FIG.
  • this ultrasonic transducer 110 is a compensation body 1 18 inserted between the piezoelectric transducer element 112 and the matching body 116, which solves the conflict of objectives described above. From the measurement 128 according to FIG. 3A, which in turn shows the thermal shock-shock stability, it can be seen that the thermal shock-shock stability of an inventive ultrasonic transducer 110 even exceeds the measurement 124 in FIG. 3A
  • Figure 2A is improved with the flexibilized epoxy adhesive between the piezoelectric transducer element 112 and the fitting body 1 16.
  • the measurement curve 130 according to FIG. 3B shows that, despite this improvement of the thermal shock change stability, there is a significantly improved uniformity of the measurement signal over the temperature range compared to the measurement curve 126 in FIG. 2B.
  • compensation bodies 118 based on filled epoxides were used for the production of the ultrasonic transducer 110 with the compensation bodies 1 18 in laboratory experiments.
  • Layer thicknesses are used and thermal expansion coefficients, which are much closer to those of the piezoelectric transducer element 1 12 than those of the matching body 1 16.
  • the advantageous ranges could move.
  • the compensation body 118 which may be configured in particular as an intermediate layer, especially highly filled epoxy resins come into question.
  • the filling may for example consist of quartz powder and / or ceramic material.
  • GlobTop materials from electrical engineering and / or stable wall materials, which are used in electronic encapsulation are used as materials for the compensation body 118, provided that these materials have a comparatively low thermal expansion coefficient.
  • Such materials which are known from other fields of electrical engineering, are usually equipped with a low coefficient of thermal expansion in order to mechanically protect, for example, sensitive silicon chips or contacts without generating additional thermal stresses.
  • a side effect of the high degree of filling but is also the high acoustic impedance, which fits well with the piezoelectric transducer element used 1 12.
  • Ultrasonic transducers 110 with compensating bodies 118 of the described type between the piezoelectric transducer element 12 and the matching body 116 can be configured and manufactured in various ways, as exemplified by, alternatively or in addition to the structure of FIG. 1 with reference to FIGS. 4A to 6C shall be.
  • the embodiments according to FIGS. 4A to 4E show ultrasonic transducers 110 each having a matching body 116 and a compensating body 118 introduced between the matching body 16 and the piezoelectric transducer element 112.
  • the ultrasonic transducers 110 optionally additionally comprise at least one damping element
  • Damping elements 132 may include, for example, plastics.
  • plastics for example, silicones and / or epoxides and / or polyurethanes can be used, which can be processed, for example, by casting and which have damping properties.
  • composite materials can also be used here again, for example composite materials comprising at least one matrix material, in particular an elastomer matrix material and / or a thermoset matrix material, and at least one filler.
  • thermoplastic matrix materials are also possible in principle.
  • gas inclusions for example gas bubbles
  • solid inclusions for example, also come into play
  • FIGS. 4A to 4E show that different arrangements and / or configurations of the damping elements 132 are possible.
  • these damping elements 132 may also be used in whole or in part as molds, for example lost molds as described for example in DE 10 2007 010 500 A1, for the production of further elements of the ultrasonic transducer 110.
  • these damping elements 132 can be wholly or partially used as lost molds for the production of the matching body 116 and / or the compensation body 1 18.
  • FIG. 4A to 4E show that different arrangements and / or configurations of the damping elements 132 are possible.
  • these damping elements 132 may also be used in whole or in part as molds, for example lost molds as described for example in DE 10 2007 010 500 A1, for the production of further elements of the ultrasonic transducer 110.
  • these damping elements 132 can be wholly or partially used as lost molds for the production of the matching body 116 and / or the compensation body 1 18.
  • the damping element 132 encloses the end face, that is to say the radiating side facing the fluid medium, the matching body 1 16 and radially the matching body 16 and the compensation body 118.
  • the damping element 132 surrounds
  • the piezoelectric transducer element 112 at least partially.
  • the damping element 132 at least partially encloses the piezoelectric transducer element 12, for example towards a cover, not shown in FIG. 4E, of an optional housing of the ultrasound transducer 110.
  • the embodiment according to FIG. 4C corresponds with respect to the enclosure of the equalizer body 18 and FIG Matching body 116 largely the embodiment of Figure 4A.
  • the matching body 116 is partially enclosed by the damping element 132.
  • At least one optional decoupling element 134 is provided in addition to a damping element 132.
  • This optional decoupling element 134 which may also be provided in the exemplary embodiments according to FIGS. 4A and 4B, serves for structure-borne sound decoupling between the piezoelectric element
  • decoupling elements 134 which may also be completely or partially combined with the damping element 132, can be produced from a very soft material.
  • the decoupling element 132 may for example comprise an elastomeric material, in particular a silicone material and / or a polyurethane.
  • a silicone material for example, liquid silicone can be used (English: liquid silicone rubber, LSR).
  • LSR liquid silicone rubber
  • composite materials for example composite materials comprising at least one matrix material, in particular an elastomer matrix material, and at least one filler.
  • gas inclusions for example gas bubbles
  • solid inclusions are also suitable, for example hollow plastic spheres as filler or as constituent of the filler, for example gas-filled hollow spheres.
  • the decoupling element 134 encloses the damping element 132 on the face side as well as the matching body 16, the compensation body 118 and the piezoelectric transducer element 112 radially.
  • FIG. 4D A similar construction is also provided in FIG. 4D.
  • FIG. 4E only a radial enclosure by the decoupling element 134 is provided, as well as an at least partial embedding of the decoupling element 134 in the layer plane of the compensation body 118.
  • the damping element 132 and / or the decoupling element 134 serve as a lost mold for a direct casting for the production of the ultrasonic transducer 110.
  • the embodiment variant of the ultrasonic transducer 110 according to FIG. 1 already described above can also be produced by direct casting, for example with filled epoxy resin as compensation body 118.
  • a contoured matching body 1 16 is used, which is also used as a lost shape. can.
  • a fixation of the piezoelectric transducer element 112 during connection, for example, casting be made, for example, by a protruding part of the matching body 116, an additional mitvergossenes fixing and / or an external Fixiervorrich- device. This is not shown in FIG.
  • a direct encapsulation for the connection between the compensation body 118 and the piezoelectric conversion element 112 and / or the adapter 116 can also be effected by means of an external form 136, as shown in FIGS. 5A to 5D shown in various embodiments.
  • FIGS. 5A and 5B show embodiments in which the encapsulation takes place on the matching body 16
  • FIGS. 5C and 5D show "inverse" construction variants in which first the piezoelectric transducer element 12 is introduced and then by direct encapsulation the compensation body 1 18 and the matching body 1 16.
  • at least one fixing element 138 for example in the form of lamellae for supporting and / or positioning, may also be introduced into the mold 136.
  • FIGS. 6A to 6C again show a construction variant in which a fixing element 138 is introduced, which can remain as a lost shape in the ultrasonic transducer 110.
  • FIG. 6A shows a cross section through an ultrasonic transducer 110 constructed according to the invention, whereas FIG. 6B shows only the fixing element 138 in a cross-sectional view, and FIG
  • FIG. 6 c shows a top view of the fixing element 138.
  • the fixing element 138 which may be configured, for example, as an undercut-free plastic molded part, comprises integrated fixing aids.
  • the letters A designate support surfaces for the piezoelectric transducer element 112, whereas with R guide and
  • the fixing element 138 can be placed, for example, on the matching body 16 for the construction of the ultrasonic transducer 110. Subsequently, an application of the piezoelectric transducer element 1 12 and a casting with the compensation body 118 take place.
  • the fixing element 138 For example, as a separate plastic molded part, so can at the same time serve as a lost form and as a fixation aid in direct potting, for example, with filled epoxy, for the production of the compensation body 1 18.
  • the fixing contours can be made so thin-walled that it essentially does not depend on the material properties of the fixing element 138.
  • damping element 132 and the decoupling element 134 may additionally be provided in the exemplary embodiment according to FIG. 6A.
  • the structure of the damping element 132 and the decoupling element 134 essentially corresponds to the structure according to FIG. 4E, so that reference can be made to the above description.
  • the direct casting for producing the compensation body 1 18, for example by filled epoxy resin and / or the use of a lost form according to one of the embodiments shown in Figures 1, 4A to 4E, 5A to 5D or 6A to 6C, offers simplifications in terms of manufacturing and advantages.
  • the lost shape can also be part of the matching body 1 16, as shown for example in the exemplary embodiment according to FIG. Alternatively or additionally, a separate component, which may possibly also be identical with the lost shape, also be used for fixing during the manufacturing process, as indicated in the form of the fixing element 138 according to the examples in Figures 6A to 6C.
  • the lost shape may also be at least partially identical to a damping element 132 and / or a
  • Decoupling element 134 as indicated in Figures 4A to 4E.
  • the lost shape can itself be configured as a positioning and / or fixing aid, for example as shown by way of example in FIG. 4E.
  • a separate positioning and fixing part can also be used.
  • the damping element 132 preferably abuts at least also on the cylinder circumference of the piezoelectric transducer element 12. Due to the damping element 132, the piezoelectric transducer element 112 quickly swings out again after a short, pulsed excitation, which is advantageous in ultrasonic transit time measurements.
  • a decoupling element 134 provides the mechanical interface or part of such a mechanical interface of the ultrasonic transducer 1 10 to the outside and can prevent ultrasonic energy except in the fluid medium as structure-borne noise can penetrate into the mechanical environment of the ultrasonic transducer 110 and thus can lead to interference signals.
  • a lost shape must not only be used for casting the compensation body 1 18, but can for example also serve to pour the fitting body 116, for example, a matching body with a filling with hollow glass spheres, for example in an epoxy resin matrix. In this case, can be dispensed with a separate prior preparation of the matching body 116, but this matching body 116 can also be made directly in the ultrasonic transducer 1 10.
  • An advantage of a direct grout is a cheaper and manageable process.
  • an electrical contacting of the piezoelectric transducer element 112 can be simplified without, for example, a more expensive electrode geometry is required.
  • the embodiments shown above all show a structure of the ultrasonic transducer 1 10 by direct potting.
  • all of the ultrasound transducers 1 10 shown can optionally and alternatively also be produced by other construction techniques, for example by producing separate molded parts, which are then joined together accordingly.
  • made of filled epoxy resins can produce semi-finished products, which in turn can cause equalizing body 1 18 by appropriate processing.
  • the compensating bodies 118 can also be produced directly from the starting materials, for example in turn filled epoxy resins. Such produced compensating body 1 18 can then, for example, by
  • the compensation body 1 18 can also be made in larger shapes, to then be brought by appropriate processing in the desired shape.
  • casting can be done in rod form, for example casting a filled epoxy resin.
  • a semifinished product produced in this way can then be sawed, for example, into slices, which in turn can then be used as compensation body 118 and / or in such a compensation body 1 18.
  • a starting material for example a filled epoxy resin composition, also directly, for example Using a corresponding form, are brought into a slice form.
  • a perforated plate can be used as the mold, which is filled with the filled epoxy resin or the starting material. Then it can be strapped over this plate to achieve a smooth surface. The perforated plate can then be placed on a bottom plate as
  • Termination are pressed to facilitate after setting the demolding.
  • the mold may for example comprise a Teflon coating and / or consist of Teflon or of another coated material in order to further facilitate demolding.
  • the adhesive should likewise have a suitable coefficient of thermal expansion, preferably a thermal expansion coefficient which is at least largely identical to the material of the compensation body 118.
  • the material of the adhesive may be at least substantially identical to the material of the compensation body 118, for example the disc material.
  • the thickness of the compensation body 1 18, for example, the intermediate layer can then be very reproducible from the disk thickness and the pressure during the bonding process.
  • the use of filled epoxy resins for the compensation body 1 18 represents a preferred variant of the embodiment of this compensation body 118 according to the invention.
  • separate components can be produced which can then be adhesively bonded, for example with a filled epoxy adhesive, for example with the properties described above, between the matching body 116 and the piezoelectric transducer element 112.
  • the thickness of the compensation body 1 18 can be easily adjusted, and it is no shape or lost shape needed on the component itself.
  • such forms or lost forms can in principle be used alternatively or additionally.
  • the compensating body 1 18 can be wholly or partly manufactured by means of an injection molding or transfer mold technology and thus applied to the matching body 116.
  • This injection molding or transfermold process can be carried out, for example, analogously to the housing of a silicon chip.
  • a matching body 116 is used to match the impedance whose geometrical tolerances are too great for subsequent manufacturing processes, these tolerances can be covered by the smaller, tool-bound tolerances due to the molding process for the coupling assembly the matching body 1 16 and the balance body 118, are compensated. This applies in particular if the adapter body 116 is mechanically machined from a semifinished product or if this is produced in a stamping and / or pressing tool under predefined pressing force and coarser tolerated filling quantity or granule consistency.
  • the matching body 1 16 may contain a material provided with cavities, for example a porous ceramic, a foamed plastic, in particular a duroplastic and / or thermoplastic, generally a polymer, or a plastic provided with hollow bodies.
  • a hollow body for example, plastic or glass hollow body may come into question, preferably hollow glass spheres.
  • DE 10 2007 010 500 DE 10 2007 010 500
  • A1 be referenced.
  • a plastic is used as the base material or matrix material for the matching body 116, it is possible, for example, to use an epoxy resin material filled with hollow glass spheres.
  • a polyimide for example a foamed, sintered or porous polyimide.
  • Dupont polyimide type Vespel ® Dupont polyimide type Vespel ®.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium. Der Ultraschallwandler (110) umfasst mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (112) sowie mindestens einen Anpasskörper (116) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem fluiden Medium. Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler (110) mindestens einen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem Anpasskörper (116) eingebrachten Ausgleichkörper (118) zur Reduktion thermischer Spannungen, insbesondere mindestens eine Zwischenschicht, wobei der Ausgleichkörper (118) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEZwischen) aufweist, welcher zwischen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEPiezo) des piezoelektrischen Wandlerelements (112) und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEAnpass) des Anpasskörpers (116) liegt. Der Ausgleichkörper (118) weist mindestens ein homogenes und/oder makroskopisch zumindest weitgehend isotropes Material, insbesondere eine Materialmischung, auf.

Description

Beschreibung
Titel
Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik oder im Automobil- bereich, dort insbesondere im Ansaug- und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren, zur Volumenstrom- oder Massenstrommessung eingesetzt werden können. Dabei werden typischerweise Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen in ein fluides Medium (ein Gas und/oder eine Flüssigkeit) emittieren können als auch Ultraschallwellen empfangen können. Es werden üb- licherweise Ultraschallsignale durch das strömende fluide Medium von einem
Emitter zu einem Empfänger übermittelt und dabei die Laufzeit, Laufzeitdifferenzen oder Phasen der Ultraschallsignale oder auch Kombinationen dieser Messgrößen gemessen. Diese Signale werden durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst. Aus dem Grad der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums schließen. Ein Beispiel eines derartigen Ultraschallwandlers, welcher beispielsweise in Ultraschall- Durchflussmessern eingesetzt werden kann, ist in DE 10 2007 010 500 A1 dargestellt. Die dort dargestellten Konstruktionen können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden. Mittels derartiger Ul- traschallwandler lassen sich beispielsweise Luftmengen-Signale innerhalb einer
Systemsteuerung eines Verbrennungsmotors ableiten.
Bei üblichen Ultraschallwandlern werden in der Regel piezoelektrische Wandlerelemente eingesetzt, welche jedoch einen hohen akustischen Impedanzunter- schied, beispielsweise um einen Faktor 6 x 105, zum umgebenden fluiden Medium aufweisen. Infolge dieses hohen Impedanzunterschieds werden in der Regel 99,9995 % der Schallenergie auf dem Weg vom piezoelektrischen Wandlerelement in das fluide Medium an der entsprechenden Grenzfläche zurückreflektiert und sind für die Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflektionsverlust tritt nochmals beim zweiten, empfangenden piezoelektrischen Wandlerelement auf, wel- ches auch mit dem ersten Wandlerelement identisch sein kann. Um die akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen zur Impedanzanpassung eingesetzt. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der DE 10 2007 010 500 A1 , Ultraschallwandler bekannt, bei denen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium ein oder mehrere Anpasskörper, insbesondere Anpassschichten, zur Impedanzanpassung eingebracht sind. Diese Anpasskörper weisen akustische Impedanzen auf, welche zwischen denjenigen des piezoelektrischen Wandlerelements und des fluiden Mediums liegen. So lassen sich zur Impedanzanpassung beispiels- weise Membranen oder λ/4-Schichten, auf die das meist dünne Piezoelement aufgeklebt ist.
Eine besondere technische Herausforderung liegt bei bekannten Ultraschallwandlern in der Verbindung zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektri- sehen Wandlerelement. Insbesondere im Verbindungsbereich kann es bei Temperaturschockwechseln zu Beschädigungen kommen, welche auf unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zurückzuführen sind. Thermische Ausdehnungskoeffizienten werden häufig als CTE bezeichnet (Coefficient of Thermal Expansion) und geben die relative Längenänderung pro Temperaturän- derung in ppm/K bzw. in 10"6/K an. Beispielsweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient vieler Anpasskörper typischerweise bei über 30 ppm/K, wohingegen die meisten Kunststoffe und Klebstoffe noch einen weit höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Im Gegensatz dazu liegen typische Piezokeramiken im Bereich zwischen 7 ppm/K. Gleichzeitig reagieren Piezoke- ramiken jedoch in der Regel äußerst empfindlich durch Mikrorissbildung oder
Depolarisation auf mechanische Verspannungen, insbesondere auf Zugspannungen und/oder Scherspannungen. Solche Spannungen treten aufgrund der eher langsamen Spannungsrelaxation insbesondere bei schnellen Temperaturschockwechseln (TSW) auf. Eine derartige mechanische Alterung der Piezoke- ramiken verstärkt sich in der Regel noch erheblich durch eventuell vorliegende rein thermische oder rein elektrische Belastungen. Um die piezoelektrischen Wandlerelemente bei Temperaturschockwechseln zu schützen, können beispielsweise flexibilisierte Klebstoffe eingesetzt werden. Derartige flexibilisierte Klebstoffe, also Klebstoffe, welche von sich aus oder durch Einbringung entsprechender Additive und/oder Füllstoffe genügend flexibel sind, können die oben beschriebenen Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnung der Anpasskörper und der Piezokeramiken ausgleichen. Auf diese Weise kann eine ausreichende Temperaturschockwechsel-Stabilität der Ultraschallwandler garantiert werden. Derartige flexibilisierte Klebstoffe werden jedoch in der Regel bei höheren Temperaturen so flexibel, dass sie keine ausreichenden akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper mehr vermitteln können. Unflexiblere Klebstoffe hingegen führen zwar zu einem größeren Temperatureinsatzbereich des Ultraschallwandlers, machen diesen jedoch im Gegenzug empfindlicher gegenüber Temperaturschock- wechseln. Es besteht also bei der Kopplung zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektrischen Wandlerelement ein Zielkonflikt zwischen einer guten akustischen Einkopplung über einen weiten Temperaturbereich hinweg und einer hohen Stabilität gegenüber Temperaturschockwechseln.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der oben beschriebenen Problematik wird ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Unter einem Ultraschallwandler ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln und/oder umgekehrt. Insbesondere kann der vorgeschlagene Ultraschallwandler, wie oben dargestellt, in einem Ultraschall-Durchflussmesser eingesetzt werden, insbesondere im Kraftfahrzeugbe- reich, um eine Geschwindigkeit, einen Massenstrom, einen Volumenstrom, eine Durchflussrate oder andere strömungsmechanische Größen eines fluiden Medi- ums, insbesondere eines Gases, insbesondere Luft, zu messen. Auch andere
Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler weist mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement sowie mindestens einen Anpasskörper, insbesondere minde- stens eine Anpassschicht, zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium auf. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und um- fasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler, welche nach ferroelektri- schen, elektrostatischen, magnetostriktiven, magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten können. Der Anpasskörper dient, wie oben aufgeführt, einer Verbesserung der Kopplung zwischen dem Ultraschallwandler und dem fluiden Medium. Somit sollte der Anpasskörper also zumindest ein Material aufweisen, welches eine Impedanz aufweist, die zwischen der Impedanz des piezoelektrischen Wandlerelements, beispielsweise einer Piezokeramik desselben, und der Impedanz des fluiden Mediums, beispielsweise Luft, liegt. Für die Auswahl an Materialien für diesen mindestens einen Anpasskörper, beispielsweise eine mindestens eine Anpassschicht, sowie die weitere Ausgestaltung dieses Anpasskörpers, beispielsweise der Anpassschicht, kann beispielsweise auf die oben zitierte DE 10 2007 010 500 A1 und die dort beschriebenen Materialien verwiesen werden.
Zur Lösung des oben beschriebenen Zielkonflikts wird vorgeschlagen, zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper mindestens einen Ausgleichkörper zur Reduktion thermischer Spannungen einzubringen. Auch dieser Ausgleichkörper kann beispielsweise in Form mindestens einer Zwischen- schicht ausgestaltet sein und/oder eine derartige Zwischenschicht umfassen.
Dabei wird vorgeschlagen, den Ausgleichkörper derart auszugestalten, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient CTEZWιschen des Ausgleichkörpers zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEPιeZo des piezoelektrischen Wandlerelements und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEAnpass des Anpasskörpers liegt. Dabei kann der Ausgleichsköper grundsätzlich auch mehrere Elemente (beispielsweise Schichten) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Auch auch eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten über den Ausgleichskörper hinweg ist denkbar, beispielsweise in Form eines Gradienten des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. In dem Fall, in dem mehrere thermische Ausdehnungskoeffizienten in dem Ausgleichskörper vorliegen, soll die genannte Bedingung für mindestens einen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichskörpers gelten, vorzugsweise für alle. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Bedingung auch beispielsweise für einen Mittelwert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder für die maximal und/oder minimal vorhandenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichs- körpers gelten. Vorzugsweise liegt dabei der thermische Ausdehnungskoeffizient CTEzwischen näher, insbesondere wesentlich näher, am thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlerelements als am thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEAnpass des Anpasskörpers. In anderen Worten wird vorgeschlagen, dass vorzugsweise die Differenz zwischen dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten CTEZWιschen des Ausgleichkörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEPιeZo des piezoelektrischen Wandlerelements kleiner ist, das heißt vom Betrag her kleiner ist, als die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEAnpass des Anpasskörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichkörpers CTEZWιschen-
Der Ausgleichkörper ist dabei derart ausgestaltet, dass dieser mindestens ein homogenes und/oder makroskopisch zumindest weitgehend isotropes Material, insbesondere eine Materialmischung, aufweist. Unter „aufweist" ist dabei sowohl der Fall zu subsumieren, dass neben dem Material auch andere Stoffe umfasst sind als auch der Fall, dass der Ausgleichkörper vollständig aus einem derartigen Material besteht. Unter einem homogenen oder makroskopisch zumindest weitgehend isotropen Material wird dabei ein Material verstanden, welches beispielsweise im Gegensatz zu einem makroskopisch orientierten Material, wie ei- nem Fasermaterial, steht. Dabei sollen zumindest in einer Dimension, vorzugsweise in zwei oder sogar drei Dimensionen, zumindest in einem Maßstab von mehr als 200 μm, insbesondere von mehr als 100 μm im Wesentlichen keine erkennbaren Inhomogenitäten und/oder Anisotropien, beispielsweise Orientierungen, vorhanden sein, vorzugsweise in einem kleineren Maßstab, beispielsweise einem Maßstab von weniger als 50 μm. Einzelne, ungewollte und statistisch auftretende Inhomogenitäten, wie beispielsweise Lunker und/oder Verunreinigungen, können dabei außer Betracht bleiben.
Da übliche Piezokeramiken einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von typischerweise weniger als 10 ppm/K aufweisen, beispielsweise im Bereich von 7 ppm/K, ist es besonders bevorzugt, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient CTEzwischen des Ausgleichkörpers in einem Bereich von weniger als 20 ppm/K gewählt wird, vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 15 ppm/K. Der Anpasskörper kann beispielsweise einen thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten von mehr als 20 ppm/K aufweisen, insbesondere von mehr als 30 ppm/K. Durch die Einfügung des Ausgleichkörpers zwischen dem Anpass- körper und dem piezoelektrischen Wandlerelement wird auch hinsichtlich der für den Anpasskörper verwendbaren Materialien eine höhere Freiheit sichergestellt.
Weiterhin kann, im Gegensatz beispielsweise zu Fasermaterialien, der Aus- gleichkörper auch eine höhere Schichtdicke aufweisen als üblicherweise verwendete Schichten. So kann der Ausgleichkörper beispielsweise eine Schichtdicke, das heißt eine Dimension in einer Verbindungsachse zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper, aufweisen, welche mindestens 0,5 mm beträgt. Bevorzugt sind, insbesondere bei der Verwendung von zylindrischen Piezoelementen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 2 mm, höhere Schichtdicken, beispielsweise von mindestens 1 ,0 mm und besonders bevorzugt von mindestens 1 ,5 mm oder mehr.
Der Ausgleichkörper kann insbesondere eine Materialmischung aufweisen. Unter einer Materialmischung ist dabei ein Material zu verstehen, welches mindestens zwei chemisch miteinander nicht verbundene Komponenten aufweist. Die Materialmischung kann insbesondere mindestens ein Matrixmaterial und mindestens ein Füllmaterial umfassen. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein durch einen Vernetzungsprozess aushärtbares und/oder ausgehärtetes Material aufwei- sen, insbesondere ein Epoxidharz. Der Vernetzungsprozess kann beispielsweise chemisch und/oder thermisch und/oder photochemisch initiiert werden, wobei thermische Vernetzungsprozesse bevorzugt sind. Alternativ oder zusätzlich zu Epoxidharzen können auch andere derartige vernetzbare Materialien eingesetzt werden, wobei Epoxidharze jedoch aufgrund ihres geringen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten bevorzugt sind. Derartige Epoxidharze werden beispielsweise in der Mikroelektronik, der Leiterplattenherstellung, der Herstellung von Chipgehäusen oder Ähnlichem verwendet. Das Epoxidharz kann auch die erforderliche Flexibilität aufweisen, um einen Ausgleich der oben beschriebenen Spannungen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem An- passkörper zu gewährleisten.
Das Füllmaterial kann der weiteren Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten dienen. So können beispielsweise übliche Füllmaterialien verwendet werden, welche den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialmi- schung verringern, beispielsweise Quarze, insbesondere Quarzmehle und/oder
Silikate und/oder keramische Materialien und/oder Fasermaterialien, beispiels- weise Kohlefasermaterialien. Beispielsweise können Füllgrade zwischen 70 und 95 Massen prozent eingesetzt werden, insbesondere zwischen 80 und 90 Massenprozent, beispielsweise bei 83 Massenprozent.
Der Ausgleichkörper kann dabei auf verschiedene Weisen hergestellt werden.
Entsprechende Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers werden ebenfalls erfindungsgemäß vorgeschlagen. So kann der Ausgleichkörper beispielsweise ganz oder teilweise durch ein Gießverfahren hergestellt werden. Dabei können unterschiedliche Gießverfahren, auch in Kombination, zum Einsatz kommen. So können beispielsweise ein Spritzgießverfahren eingesetzt werden und/oder Transfermolding-Verfahren und/oder Sheet-Molding-Verfahren und/oder Gießverfahren mit einer verlorenen Form. Alternativ oder zusätzlich lassen sich jedoch auch andere Verfahren einsetzen, beispielsweise Sinterverfahren. Der Ausgleichkörper kann unmittelbar in bzw. an dem Ultraschallwandler und/oder in bzw. an einer Vorbaugruppe des Ultraschallwandlers erzeugt werden, beispielsweise durch eines oder mehrere der genannten Verfahren, beispielsweise bereits in einem Gehäuse des Ultraschallwandlers und/oder in einer in dem Ultraschallwandler verbleibenden verlorenen Form. Dadurch kann eine Formgebung mit einer stoffschlüssigen Verbindung mit anderen Bauteilen des Ultraschallwandlers gleichzeitig erfolgen. Die Formgebung kann dabei ganz oder teilweise durch die anderen Bauteile und/oder auch ganz oder teilweise durch ein separates Werkzeug. Alternativ oder zusätzlich kann der Ausgleichkörper auch ganz oder teilweise als separates Bauteil hergestellt werden, beispielsweise als ein oder mehrere separate Formteile. Bezüglich der Einzelheiten möglicher ein- setzbarer Gießverfahren mit verlorener Form kann beispielsweise auf die oben beschriebene DE 10 2007 010 500 A1 verwiesen werden.
Insbesondere im Zusammenhang mit Gießverfahren, jedoch auch bei anderen Herstellungsverfahren, ist es bevorzugt, wenn der Ultraschallwandler mindestens ein Fixierelement umfasst, welches eingerichtet ist, um eine relative Position zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem Anpasskörper zu fixieren. So können beispielsweise Abstandhalter, Zentrierelemente, Rasthaken oder ähnliche Elemente, auch in Kombination, eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben, kann der Ausgleichkörper beispielsweise durch ein Gießverfahren erzeugt werden. Unter einem Gießverfahren ist dabei ein Verfahren zu verstehen, in welchem ein Ausgangsmaterial des Ausgleichkörpers, beispielsweise ein Vorstoff des Ausgleichkörpers, welcher noch verformbar ist, beispielsweise gießfähig, mittels entsprechender Formgebungsverfahren geformt wird. Gleichzeitig mit der oder anschließend an die Formung kann dann eine Umwand- lung in den Ausgleichkörper erfolgen, beispielsweise durch ein Aushärten eines aushärtbaren Materials. Alternativ oder zusätzlich kann der Ausgleichkörper auch mindestens ein Formteil umfassen, insbesondere eine Scheibe. Das Formteil kann in den Ultraschallwandler eingebracht werden, beispielsweise in ein Gehäuse des Ultraschallwandlers, beispielsweise als separates Bauteil. Auch das Formteil kann selbstverständlich durch ein Gießverfahren und/oder auch durch andere Verfahren hergestellt sein.
Das optionale Formteil kann mit dem piezoelektrischen Wandlerelement und/oder dem Anpasskörper verbunden werden, insbesondere über eine stoff- schlüssige Verbindung. Insbesondere kann hier eine Verklebung gewählt werden, wobei das Formteil mit dem piezoelektrischen Wandlerelement und/oder dem Anpasskörper durch einen Klebstoff verklebt wird, welcher vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEKιeb aufweist, der zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEPιeZo des piezoelektrischen Wandler- elements und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEAnpass des Anpasskörpers liegt. Auch eine Zwischenabstufung kann verwendet werden. So kann CTEKιeb beispielsweise für eine Verklebung zwischen dem Anpasskörper und dem Ausgleichkörper zwischen CTEAnpass und CTEKιeb liegen. Zusätzlich oder alternativ kann CTEKιeb für eine Verklebung zwischen dem Ausgleichkörper und dem piezoelektrischen Wandler zwischen CTEZWιschen und CTEPιeZo liegen. Vorzugsweise kann für eine oder mehrere der genannten Verklebungen ein Klebstoff verwendet werden, welcher zumindest teilweise identisch ist mit einem Material des Ausgleichkörpers. Beispielsweise kann wiederum ein gefülltes Epoxid verwendet werden, um diese stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Auch andere Ausgestaltungen, bei welchen verschiedene Klebstoffe verwendet werden, sind möglich.
Das optionale Formteil kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. So kann das Formteil beispielsweise einen Kunststoffwerkstoff umfassen, insbeson- dere ein Formteil in Form einer Epoxidharzscheibe. Alternativ oder zusätzlich kann das Formteil jedoch auch ganz oder teilweise aus einem Nicht-Kunststoff- Material hergestellt sein, beispielsweise in Form eines Formteils aus Glas und/oder in Form eines Formteils aus einer Keramik. Auch Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe sind möglich. Der Anpasskörper kann grundsätzlich beispielsweise als Scheibe, Schicht oder andere Weise ausgestaltet sein. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen der Form des Anpasskörpers kann beispielsweise wiederum auf DE 10 2007 010 500 A1 verwiesen werden. So kann der Ausgleichkörper auch den Anpasskörper und, optional zumindest teilweise auch das piezoelektrische Wandlerelement zumindest teilweise umschließen. Insbesondere in diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn dieser Anpasskörper gleich- zeitig als Form eines Gießverfahrens zur Herstellung eines Ausgleichkörpers eingesetzt wird.
Der oben vorgeschlagene Ultraschallwandler sowie entsprechende Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ultraschallwandlers weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf.
Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten mittels des Ausgleichkörpers wird bewirkt, dass entweder zumindest weitgehend keine thermisch induzierte mechanische Verspannung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und dem direkt angrenzenden Material, in diesem Fall dem Ausgleichkörper, entsteht, oder aber die Verspannung viel kleiner ist als diejenige zwischen dem Ausgleichkörper und dem daran angrenzenden Anpasskörper. Das empfindliche piezoelektrische Wandlerelement wird somit vor einer Schädigung geschützt, wie beispielsweise einer Mikrorissbildung und/oder einer Depo- larisation, wie sie ohne Ausgleichkörper bei Temperaturschockwechseln häufig auftreten würde. Weiterhin kann durch die Homogenitätseigenschaft des Ausgleichkörpers dieser Ausgleichkörper im Vergleich zu nicht-homogenen Materialien, wie beispielsweise Fasergeflechten, relativ dick ausgeführt werden. Dies bedingt, dass der größere Anteil oder die gesamte CTE-Fehlanpassung räumlich weit vom piezoelektrischen Wandlerelement weg verlagert werden kann, so dass ebenfalls im Bereich des piezoelektrischen Wandlerelements geringere Spannungen auftreten.
Weiterhin kann durch die Wahl eines homogenen Ausgleichkörpers, anstelle beispielsweise einer faserartigen Zwischenschicht, die Schwierigkeit entfallen, eine Fasermatte direkt auf dem piezoelektrischen Wandlerelement zu positionieren und dort bis zur Aushärtung festzuhalten. Außerdem hängt die Stabilität bei ein- gelegten Fasern in der Regel empfindlich von der Gewebestruktur und Webart ab. Wenn dagegen Füllstoffe zur Sicherstellung des benötigten CTE verwendet werden und diese zumindest weitgehend homogen in den Ausgleichkörper eingemischt sind, dann entfällt diese empfindliche Einflussgröße, und die Füllstoffe liegen zwingend direkt bzw. nahe genug am piezoelektrischen Wandlerelement an. Die Schwierigkeit einer Sicherstellung des benötigten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unmittelbar am piezoelektrischen Wandlerelement verlagert sich also von einer eventuell schwierigen Faser-Positionierung hin zu einer vorzugsweise zumeist extrem hohen Füllung des Ausgleichkörpers, beispielsweise einer Epoxidmasse des Ausgleichkörpers. Letzteres geschieht allerdings vorzugsweise vorbereitend und im Nutzen, so dass sich in der großtechnischen Fertigung hier ein Fertigungsvorteil ergeben kann.
Weiterhin kann der Ausgleichskörper auch in anderer Hinsicht die Verbindung zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektrischen Wandlerelement verbessern. So kann beispielsweise der Anpasskörper zumindest teilweise porös ausgestaltet sein. Diese Porosität kann jedoch eine direkte Klebung zwischen dem Anpasskörper und dem piezoelektrischen Wandlerelement erschweren bzw. instabil machen, das der Klebstoff beispielsweise in die Poren einsickern kann. Damit können sich auch die akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers verändern. Bei der vorgeschlagenen Verwendung des mindestens einen Ausgleichskörpers, insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer der oben beschriebenen Herstellungsverfahren, beispielsweise der Gießverfahren, Spritzverfahren oder Transfermold-Verfahren, kann diese Schwierigkeit umgangen werden. So können beispielsweise die porösen Oberflächen des Anpasskörpers bei diesen Herstellungsverfahren durch das Material des Ausgleichskörpers versiegelt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit einem Ausgleichkörper;
Figuren 2A und 2B Thermoschockbeständigkeiten und Temperaturbereiche für herkömmliche Ultraschallwandler mit unflexiblen und flexi- bilisierten Epoxid-Klebstoffen;
Figuren 3A und 3B Thermoschockbeständigkeiten und Temperaturbereich eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit Ausgleichkörper;
Figuren 4A bis 4E verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ultraschallwandler;
Figuren 5A bis 5D Beispiele verschiedener Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Ultraschallwandler; und
Figuren 6A bis 6C ein Ausführungsbeispiel einer Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem Fixierelement.
Ausführungsformen
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 in Schnittdarstellung von der Seite gezeigt. Der Ultraschallwandler 1 10 weist ein piezoelektrisches Wandlerelement 112 auf, welches beispielsweise in Form eines zylindrischen Piezoelements ausgestaltet sein kann. Dieses piezoelektrische Wandlungselement 112 kann beispielsweise über zwei Anschlusskontakte 1 14, beispielsweise Kontaktdrähte, elektrisch kontaktiert werden, so dass das piezoelektrische Wandlungselement 112 über diese Anschlusskontakte 114 beispielsweise mit Ansteuersignalen beaufschlagt werden kann und/oder dass über die Anschlusskontakte 114 Signale des piezoelektrischen Wandlerelements 112 abgeführt werden können.
Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler 110 in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Anpasskörper 116. Dieser Anpasskörper 116 dient einer Verbesserung der Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und einem fluiden Medium, in welches Ultraschallsignale eingekoppelt werden sollen und/oder aus welchem Ultraschallsignale in das piezoelektrische Wandlerelement 1 12 eingekoppelt werden sollen. Der Anpasskörper 116 ist somit zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 und dem in Figur 1 nicht dargestellten fluiden Medium angeordnet. Der Anpasskörper 116 dient somit einer Verbesserung der akustischen Kopplung im Ultraschallsignalbereich. Vorzugsweise ermöglicht dieser Anpasskörper 1 16 eine Impedanzanpassung. Für Beispiele der Ausgestaltung eines derartigen Anpasskörpers 1 16 kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden, insbesondere beispielsweise auf die DE 10 2007 010 500 A1 , in welcher mögliche Geometrien und Materialien des Anpasskörpers 116 dargestellt sind, die auch auf die vorliegende Erfindung übertragbar sind. Der Anpasskörper 116 ist beispielsweise als Schicht ausgestaltet, kann jedoch, wie in Figur 1 dargestellt und wie unten näher erläutert wird, auch als verlorene Form eingesetzt werden und kann beispiels- weise einen zwischen dem Anpasskörper 116 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 aufgenommenen Ausgleichkörper 118 zumindest teilweise umschließen.
Der mindestens eine Ausgleichkörper 1 18 zwischen dem Anpasskörper 1 16 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 dient der Lösung des oben beschriebenen Zielkonflikts bei der Verbindung zwischen piezoelektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 116. Zum einem muss diese Kopplung eine ausreichende Temperaturschockwechsel-Stabilität garantieren, so dass grundsätzlich sehr weiche Kopplungen zwischen dem Anpasskörper 1 16 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 bevorzugt wären. Andererseits werden derartige weiche Kopplungen jedoch in der Regel bei höheren Temperaturen so flexibel, dass sie keine ausreichende akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 116 mehr vermitteln würden. Unflexiblere Kopplungen hingegen führen zwar zu größeren Tempera- tureinsatzbereichen des Ultraschallwandlers 110, steigern jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschockwechseln.
Dieser Zielkonflikt ist in den Figuren 2A und 2B dargestellt, in welchen Messungen gezeigt sind, die an herkömmlich aufgebauten Ultraschallwandlern 110 ohne erfindungsgemäßen Ausgleichkörper 118 vorgenommen wurden. Dabei zeigt Figur 2A eine Ultraschallamplitude, aufgetragen in Prozent der ersten Messung, als Funktion einer Anzahl von Thermoschockwechsel-Zyklen (in Figur 2A mit TSW bezeichnet). Diese Messung charakterisiert also die Thermoschockwechsel- Stabilität der Ultraschallwandler 1 10. In Figur 2B ist hingegen wiederum die Ultraschallamplitude in Prozent aufgetragen, in diesem Fall jedoch als Funktion der Einsatztemperatur T in 0C. Diese Messung zeigt somit den Temperatur-
Einsatzbereich der Ultraschallwandler 110.
Dabei wurden unterschiedliche Arten von Ultraschallwandlern 1 10 mit unterschiedlichen Kopplungen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 und dem Anpasskörper 116 eingesetzt. Die Kurven 120, 122 zeigen Messungen an einem Ultraschallwandler 110, bei welchen das piezoelektrische Wandlerelement 112 über einen harten, unflexiblen Epoxid-Klebstoff mit dem Anpasskörper 116 verbunden wurde. Die Messungen 124, 126 hingegen zeigen Messungen an einem Ultraschallwandler 1 10, bei welchen zur Verbindung zwischen dem piezo- elektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 116 ein flexibilisierter
Epoxid-Klebstoff eingesetzt wurde.
Die Messergebnisse beschreiben den oben dargestellten Zielkonflikt gut. Wie Figur 2A zeigt, sind hinsichtlich der Thermoschockwechsel-Stabilität Ultraschall- wandler 1 10 mit flexibilisierten Epoxid-Klebstoffen von Vorteil, da die flexibilisier- ten Epoxid-Klebstoffe thermische Spannungen zwischen dem Anpasskörper 1 16 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 gut ausgleichen können. Die Verwendung unflexibler Epoxid-Klebstoffe (Kurve 120) in Ultraschallwandlern 110 führt hingegen bereits nach wenigen Thermoschockwechseln zur Zerstörung der Ultraschallwandler 110. Andererseits zeigen die Messungen in Figur 2B deutlich, dass Ultraschallwandler 110 mit flexibilisierten Epoxid-Klebstoffen (Kurve 126) einen deutlich geringeren Temperatur-Einsatzbereich im Vergleich zu Ultraschallwandlern mit unflexiblen Epoxid-Klebstoffen (Kurve 122) aufweisen. Die charakteristischen Eigenschaften derartiger Ultraschallwandler 110 sind somit stark vom jeweiligen Temperatur-Einsatzbereich, der insbesondere im Automobilbereich stark schwanken kann, abhängig.
In den Figuren 3A und 3B sind hingegen Messungen 128, 130, in analoger Darstellung zu den Figuren 2A und 2B, gezeigt, die mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 110, beispielsweise gemäß Figur 1 , aufgenommen wurden.
Bei diesem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 110 ist ein Ausgleichkörper 1 18 zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 116 eingefügt, welcher den oben dargestellten Zielkonflikt löst. Aus der Messung 128 gemäß Figur 3A, welche wiederum die Thermoschockwechsel- Stabilität zeigt, ist erkennbar, dass die Thermoschockwechsel-Stabilität eines er- findungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 sogar gegenüber der Messung 124 in
Figur 2A mit dem flexibilisierten Epoxid-Klebstoff zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 1 16 verbessert ist. Die Messkurve 130 gemäß Figur 3B zeigt, dass trotz dieser Verbesserung der Thermoschockwechsel-Stabilität eine gegenüber der Messkurve 126 in Figur 2B deutlich ver- besserte Gleichförmigkeit des Messsignals über den Temperaturbereich hinweg besteht. Diese Messungen zeigen deutlich die Vorteile erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 110 mit Ausgleichkörper 1 18, im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallwandlern 1 10, bei welchen die piezoelektrischen Wandlerelemente 1 12 mit den Anpasskörpern 1 16 direkt verklebt sind.
Dabei wurden für die Herstellung der Ultraschallwandler 110 mit den Ausgleichkörpern 1 18 in Laborversuchen Ausgleichkörper 118 basierend auf gefüllten Epoxiden verwendet. Besonders vorteilhaft haben sich dabei gefüllte Epoxide herausgestellt, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTEZWιschen von weniger als 12 ppm/K aufwiesen. Bei piezoelektrischen Wandlerelementen
112 mit einem Durchmesser von ca. 8 mm und einer Höhe von ca. 2 mm erwiesen sich Schichtdicken von mehr als 1 ,5 mm als vorteilhaft. Für den Anpasskörper 116 wurden dabei Materialien mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient CTEAnpass von mehr als 30 ppm/K verwendet. Insgesamt ist es also zumin- dest bei gefüllten Epoxiden von Vorteil, wenn für den Ausgleichkörper 118 große
Schichtdicken verwendet werden und thermische Ausdehnungskoeffizienten, welche erheblich näher an denen des piezoelektrischen Wandlerelements 1 12 liegen als an denen des Anpasskörpers 1 16. Bei anderen Materialien für den Ausgleichkörper 118, beispielsweise bestimmten Keramik- und/oder Glassorten, könnten sich die vorteilhaften Bereiche verschieben.
Als Material für den Ausgleichkörper 118, welcher insbesondere als Zwischenschicht ausgestaltet sein kann, kommen insbesondere hochgefüllte Epoxidharze in Frage. Die Füllung kann beispielsweise aus Quarzmehl und/oder keramischem Material bestehen. Beispielhaft können GlobTop-Massen aus der Elektrotechnik und/oder standfeste Wall-Materialien, welche in der elektronischen Verkapse- lungstechnik zur Begrenzung von Underfillern, als Materialien für den Ausgleichkörper 118 eingesetzt werden, sofern diese Materialien einen vergleichsweise niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Derartige Materialien, welche aus anderen Bereichen der Elektrotechnik bekannt sind, sind übli- cherweise mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgestattet, um beispielsweise empfindliche Silizium-Chips oder Kontaktierungen mechanisch zu schützen, ohne zusätzliche thermische Verspannungen zu erzeugen. Ein Nebeneffekt des hohen Füllgrades ist aber auch die hohe akustische Impedanz, welche gut zum verwendeten piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 passt. Das hohe Elastizitätsmodul der genannten Stoffe wiederum ermöglicht eine erheblich bessere akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 und dem Anpasskörper 1 16 als sie beispielsweise bei flexi- bilisierten Kunststoffen möglich ist, die normalerweise in Ultraschallwandlern 1 10 zum Schutz vor thermischen Verspannungen eingesetzt werden. Ultraschall- wandler 1 10 mit Ausgleichkörpern 118 der beschriebenen Art zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 und dem Anpasskörper 1 16 können auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein und hergestellt werden, wie, alternativ oder zusätzlich zum Aufbau gemäß Figur 1 anhand der Figuren 4A bis 6C exemplarisch erläutert werden soll.
Dabei zeigen die Ausführungsformen gemäß den Figuren 4A bis 4E Ultraschallwandler 1 10 mit jeweils einem Anpasskörper 116 und einem zwischen dem Anpasskörper 1 16 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 eingebrachten Ausgleichkörper 118. Zusätzlich umfassen die Ultraschallwandler 110 in sämtli- chen Ausführungsbeispielen noch optional mindestens ein Dämpfungselement
132, welches eingerichtet ist, um ein möglichst rasches Abklingen akustischer Signale zu gewährleisten. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass akustische Signale, welche vom piezoelektrischen Wandlerelement 112 ausgesandt werden, vergleichsweise kurz ausgestaltet sind, so dass eine Überlappung aufeinanderfolgender Signale vermieden werden kann. Derartige
Dämpfungselemente 132 können beispielsweise Kunststoffe umfassen. Hierbei lassen sich beispielsweise Silikone und/oder Epoxide und/oder Polyurethane einsetzen, welche sich beispielsweise durch Vergießen verarbeiten lassen und welche dämpfende Eigenschaften aufweisen. Insbesondere lassen sich auch hier wieder Verbundmaterialien einsetzen, beispielsweise Verbundmaterialien aus mindestens einem Matrixmaterial, insbesondere einem Elastomer-Matrixmaterial und/oder einem Duroplast-Matrixmaterial, und mindestens einem Füllstoff. Auch thermoplastische Matrixmaterialien sind jedoch grundsätzlich möglich. Als Füllstoff kommen dabei wiederum beispielsweise Gaseinschlüsse, beispielsweise Gasblasen, in Frage, beispielsweise indem Kunststoffschäume eingesetzt wer- den. Alternativ oder zusätzlich kommen beispielsweise auch feste Einschlüsse in
Frage, beispielsweise Kunststoffhohlkugeln als Füllstoff oder als Bestandteil des Füllstoffs, beispielsweise Gas-gefüllte Hohlkugeln. Alternativ oder zusätzlich kommen auch schwerere Füllstoffe in Betracht. Die Figuren 4A bis 4E zeigen, dass unterschiedliche Anordnungen und/oder Ausgestaltungen der Dämpfungs- elemente 132 möglich sind. So können diese Dämpfungselemente 132 auch ganz oder teilweise als Formen, beispielsweise verlorene Formen wie beispielsweise in DE 10 2007 010 500 A1 beschrieben, für die Herstellung weiterer Elemente des Ultraschallwandlers 110 eingesetzt werden. Beispielsweise lassen sich diese Dämpfungselemente 132 ganz oder teilweise als verlorene Formen für die Herstellung des Anpasskörpers 116 und/oder des Ausgleichkörpers 1 18 einsetzen. So umschließt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4A das Dämpfungselement 132 stirnseitig, das heißt an der dem fluiden Medium zugewandten Abstrahlseite, den Anpasskörper 1 16 sowie radial den Anpasskörper 1 16 und den Ausgleichkörper 118. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4B um- schließt das Dämpfungselement 132 zusätzlich noch das piezoelektrische Wandlerelement 112 zumindest teilweise. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4E umschließt das Dämpfungselement 132 zumindest teilweise das piezoelektrische Wandlerelement 1 12, beispielsweise hin zu einem in Figur 4E nicht dargestellten Deckel eines optionalen Gehäuses des Ultraschallwandlers 110. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4C entspricht hinsichtlich der Umschließung des Ausgleichkörpers 1 18 und des Anpasskörpers 116 weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4A. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4D ist lediglich der Anpasskörper 116 teilweise von dem Dämpfungselement 132 umschlossen.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4C bis 4C ist zusätzlich zu einem Dämpfungselement 132, noch mindestens ein optionales Entkopplungselement 134 vorgesehen. Dieses optionale Entkopplungselement 134, welches auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4A und 4B vorgesehen sein kann, dient einer Körperschall-Entkopplung zwischen dem piezoelektrischen
Wandlerelement 112 und/oder dem Anpasskörper 116 und/oder dem Ausgleich- körper 1 18 und einem optionalen Gehäuse des Ultraschallwandlers 1 10, welches in den Figuren nicht dargestellt ist. Beispielsweise können derartige Entkopplungselemente 134, welche auch ganz oder teilweise mit dem Dämpfungselement 132 zusammengefasst sein können, aus einem sehr weichen Material her- gestellt werden.
Um die Entkopplung zu gewährleisten, kann das Entkopplungselement 132 beispielsweise ein Elastomermaterial aufweisen, insbesondere ein Silikonmaterial und/oder ein Polyurethan. Beispielsweise lässt sich Flüssig-Silikon einsetzen (englisch: liquid silicone rubber, LSR). Allgemein kann das Entkopplungselement
132 mindestens ein Kunststoffmaterial aufweisen, insbesondere ein Elastomermaterial, welches eine Shore-A-Härte von vorzugsweise weniger als 40, insbesondere von weniger als 25, aufweist. Insbesondere lassen sich dabei auch Verbundmaterialien einsetzen, beispielsweise Verbundmaterialien aus mindestens einem Matrixmaterial, insbesondere einem Elastomer-Matrixmaterial, und mindestens einem Füllstoff. Als Füllstoff kommen dabei beispielsweise Gaseinschlüsse, beispielsweise Gasblasen, in Frage, beispielsweise indem Elastomerschäume eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kommen beispielsweise auch feste Einschlüsse in Frage, beispielsweise Kunststoffhohlkugeln als Füll- stoff oder als Bestandteil des Füllstoffs, beispielsweise Gas-gefüllte Hohlkugeln.
Dabei umschließt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4C das Entkopplungselement 134 das Dämpfungselement 132 stirnseitig sowie den Anpasskörper 1 16, den Ausgleichkörper 118 und das piezoelektrische Wandlerelement 1 12 radial. Ein ähnlicher Aufbau ist auch in Figur 4D vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4E hingegen ist lediglich eine radiale Umschließung durch das Entkopplungselement 134 vorgesehen, sowie eine zumindest teilweise Einbettung des Entkopplungselements 134 in die Schichtebene des Ausgleichkörpers 118. Wie oben dargestellt, kann bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4A bis 4E das Dämpfungselement 132 und/oder das Entkopplungselement 134 als verlorene Form für einen Direktverguss zur Herstellung des Ultraschallwandlers 110 dienen. Auch die oben bereits beschriebene Ausführungsvariante des Ultraschallwandlers 1 10 gemäß Figur 1 lässt sich durch einen Direktverguss, beispielsweise mit gefülltem Epoxidharz als Ausgleichkörper 118, herstellen. Dabei wird, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise ein kontu- rierter Anpasskörper 1 16 verwendet, welcher ebenfalls als verlorene Form die- nen kann. Dabei kann zusätzlich eine Fixierung des piezoelektrischen Wandlerelements 112 beim Verbinden, beispielsweise Vergießen, vorgenommen werden, beispielsweise durch einen herausstehenden Teil des Anpasskörpers 116, ein zusätzliches mitvergossenes Fixierelement und/oder eine externe Fixiervorrich- tung. Dies ist in Figur 1 nicht dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Direktvergusses mit einer verlorenen Form kann ein Direktverguss zur Verbindung zwischen dem Ausgleichkörper 118 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 und/oder dem Anpass- körper 116 auch mittels einer externen Form 136 erfolgen, wie dies in den Figuren 5A bis 5D in verschiedenen Ausführungsformen gezeigt ist. Dabei zeigen die Figuren 5A und 5B Ausführungsvarianten, bei welchen der Verguss auf dem Anpasskörper 1 16 erfolgt, wohingegen die Figuren 5C und 5D „inverse" Aufbauvarianten zeigen, bei welchen zunächst das piezoelektrische Wandlerelement 1 12 eingebracht wird und dann darauf durch Direktverguss der Ausgleichkörper 1 18 und der Anpasskörper 1 16 aufgebracht werden. Weiterhin können, wie in Figur 5B angedeutet, optional auch noch mindestens ein Fixierelement 138, beispielsweise in Form von Lamellen zum Abstützen und/oder Positionieren, in die Form 136 eingebracht wird.
In den Figuren 6A bis 6c ist wiederum eine Aufbauvariante gezeigt, in welcher ein Fixierelement 138 eingebracht wird, welches als verlorene Form im Ultraschallwandler 110 verbleiben kann. Dabei zeigt Figur 6A einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß aufgebauten Ultraschallwandler 1 10, wohingegen Figur 6B lediglich das Fixierelement 138 in einer Querschnittsansicht zeigt, und wobei
Figur 6c eine Draufsicht auf das Fixierelement 138 darstellt. Dabei ist erkennbar, dass das Fixierelement 138, welches beispielsweise als hinterschnittfreies Kunststoff-Formteil ausgestaltet sein kann, integrierte Fixierungshilfen umfasst. Dabei bezeichnen in den Figuren 6B und 6A die Buchstaben A Auflageflächen für das piezoelektrische Wandlerelement 112, wohingegen mit R Führungs- und
Rasthaken bezeichnet sind, welche optional vorgesehen sein können und welche das piezoelektrische Wandlerelement 112 zusätzlich fixieren können. Das Fixierelement 138 gemäß den Figuren 6B und 6c kann für den Aufbau des Ultraschallwandlers 1 10 beispielsweise auf den Anpasskörper 1 16 aufgesetzt werden. Anschließend kann ein Aufbringen des piezoelektrischen Wandlerelements 1 12 und ein Verguss mit dem Ausgleichkörper 118 erfolgen. Das Fixierelement 138, beispielsweise als separates Kunststoff-Formteil, kann also beim Direktverguss, beispielsweise mit gefülltem Epoxidharz, zur Herstellung des Ausgleichkörpers 1 18 gleichzeitig als verlorene Form und als Fixierungshilfe dienen. Die Fixierungskonturen können dabei derart dünnwandig ausgeführt sein, dass es auf die Materialeigenschaften des Fixierelements 138 im Wesentlichen nicht ankommt.
So können beispielsweise Materialien mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, ohne dass diese das piezoelektrische Wandlerelement 1 12 merklich verspannen können. Wiederum können auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6A zusätzlich mindestens ein Dämpfungselement 132 und mindestens ein Entkopplungselement 134 vorgesehen sein. Dabei entspricht der Aufbau des Dämpfungselements 132 und des Entkopplungselements 134 im Wesentlichen dem Aufbau gemäß Figur 4E, so dass auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
Der Direktverguss zur Herstellung des Ausgleichkörpers 1 18, beispielsweise durch gefülltes Epoxidharz und/oder die Verwendung einer verlorenen Form gemäß einer der in den Figuren 1 , 4A bis 4E, 5A bis 5D oder 6A bis 6C gezeigten Ausführungsformen, bietet fertigungstechnisch Vereinfachungen und Vorteile. Die verlorene Form kann auch Teil des Anpasskörpers 1 16 sein, wie beispiels- weise in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein separates Bauteil, welches eventuell auch identisch sein kann mit der verlorenen Form, auch zur Fixierung während des Fertigungsprozesses verwendet werden, wie in Form des Fixierelements 138 gemäß den Beispielen in den Figuren 6A bis 6c angedeutet ist. Die verlorene Form kann auch zumindest teilweise identisch mit einem Dämpfungselement 132 und/oder einem
Entkopplungselement 134 sein, wie in den Figuren 4A bis 4E angedeutet ist. Auch in letzterem Fall kann die verlorene Form beispielsweise selbst als Positio- nierungs- und/oder Fixierungshilfe ausgestaltet sein, wie beispielsweise in Figur 4E beispielhaft gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein sepa- rates Positionierungs- und Fixierungsteil verwendet werden. Das Dämpfungselement 132 liegt bei einem primär radial schwingenden piezoelektrischen Wandlerelement 112 vorzugsweise zumindest auch am Zylinderumfang des piezoelektrischen Wandlerelements 1 12 an. Durch das Dämpfungselement 132 schwingt das piezoelektrische Wandlerelement 112 nach einer kurzen, impuls- haften Anregung schnell wieder aus, was in Ultraschall-Laufzeitmessungen vorteilhaft ist. Ein Entkopplungselement 134 stellt die mechanische Schnittstelle oder ein Teil einer derartigen mechanischen Schnittstelle des Ultraschallwandlers 1 10 nach außen hin dar und kann verhindern, dass Ultraschallenergie außer ins fluide Medium auch als Körperschall in die mechanische Umgebung des Ultraschallwandlers 110 eindringen kann und so zu Störsignalen führen kann. Eine verlorene Form muss nicht nur zum Gießen des Ausgleichkörpers 1 18 verwendet werden, sondern kann beispielsweise auch dazu dienen, den Anpasskörper 116, beispielsweise einen Anpasskörper mit einer Füllung mit Glashohlkugeln, beispielsweise in einer Epoxidharz-Matrix, zu gießen. In diesem Fall kann auch auf eine separate vorherige Herstellung des Anpasskörpers 116 verzichtet werden, sondern dieser Anpasskörper 116 kann auch direkt im Ultraschallwandler 1 10 gefertigt werden. Ein Vorteil eines Direktvergusses ist ein kostengünstigerer und beherrschbarer Prozess. Weiterhin kann auch eine elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Wandlerelements 112 vereinfacht werden, ohne dass beispielsweise eine teurere Elektrodengeometrie erforderlich ist.
Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen sämtlich einen Aufbau des Ultraschallwandlers 1 10 durch Direktverguss. Sämtliche der dargestellten Ultraschallwandler 1 10 lassen sich jedoch optional und alternativ auch durch andere Aufbautechniken erzeugen, beispielsweise durch Erzeugen separater Formteile, welche anschließend entsprechend zusammengefügt werden. So lassen sich beispielsweise aus gefüllten Epoxidharzen Halbzeuge herstellen, woraus sich wiederum Ausgleichkörper 1 18 durch entsprechende Bearbeitung erzeugen lassen. Weiterhin lassen sich die Ausgleichkörper 118 auch unmittelbar aus den Ausgangsstoffen herstellen, beispielsweise wiederum gefüllten Epoxidharzen. Derartig hergestellte Ausgleichkörper 1 18 lassen sich dann, beispielsweise durch
Verwendung desselben gefüllten Epoxidharzes, mit dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 12 und/oder dem Anpasskörper verkleben.
Der Ausgleichkörper 1 18 kann auch in größeren Formen hergestellt werden, um dann durch entsprechende Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht zu werden. So kann beispielsweise ein Gießen in Stangenform erfolgen, beispielsweise ein Gießen eines gefüllten Epoxidharzes. Ein derartig hergestelltes Halbzeug kann dann beispielsweise in Scheibchen gesägt werden, welche dann wiederum als Ausgleichkörper 118 und/oder in einem derartigen Ausgleichkörper 1 18 verwendet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann ein Ausgangsmaterial, beispielsweise eine gefüllte Epoxidharzmasse, auch direkt, beispielsweise u nter Verwendung einer entsprechenden Form, in eine Scheibchenform gebracht werden. So kann beispielsweise als Form eine gelochte Platte verwendet werden, welche mit der gefüllten Epoxidharzmasse bzw. dem Ausgangsmaterial gefüllt wird. Anschließend kann über diese Platte geräkelt werden, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Die gelochte Platte kann dann auf eine Bodenplatte als
Abschluss gedrückt werden, um nach dem Aushärten die Entformung zu erleichtern. Die Form kann beispielsweise eine Teflonbeschichtung umfassen und/oder aus Teflon bestehen oder aus einem anderweitig beschichteten Material, um eine Entformung weiter zu erleichtern. Die ausgehärteten Scheibchen, beispielsweise die Epoxidharz-Scheibchen, können dann beispielsweise als Einlegeteil in eine
Klebung zwischen dem Anpasskörper 1 16 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 eingelegt werden. Dabei sollte der Klebstoff ebenfalls einen geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, vorzugsweise einen zu dem Material des Ausgleichkörpers 118 zumindest weitgehend identischen ther- mischen Ausdehnungskoeffizienten. Idealerweise kann das Material des Klebstoffs zumindest weitgehend identisch mit dem Material des Ausgleichkörpers 1 18 sein, beispielsweise dem Scheibchenmaterial. Die Dicke des Ausgleichkörpers 1 18, beispielsweise der Zwischenschicht, kann sich dann sehr reproduzierbar aus der Scheibchendicke und dem Andrücken während des Klebeprozesses ergeben. Ein Vorteil gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren des Direktvergusses besteht unter anderem darin, dass eine Dicke des Ausgleichkörpers 1 18 leichter und reproduzierbarer einstellbar ist und dass keine Form oder verlorene Form am Bauteil selbst benötigt wird.
Im Laborversuch wurden mittels beider Verfahrensvarianten, also dem oben beschriebenen Direktverguss und mit einem Verfahren, welches einen separaten Ausgleichkörper 118 beinhaltet, hergestellt. Letzteres erfolgte dabei über einen Zwischenschritt über eine gegossene und zersägte Stange. Dabei wurde ein gefülltes Epoxidharz des Typs R1007 der Firma Nagase mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 ppm/K verwendet. Bei Dicken ab ca. 1 ,5 mm wird dem oben anhand der Figuren 2A bis 3B beschriebenen Zielkonflikt, unter Verwendung beider Herstellungsverfahren, mittels den erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 1 10 erfolgreich entgegengewirkt, und es stellt sich ein großer Temperaturbereich und ein gleichzeitig stabiles Verhalten gegenüber Thermo- schockwechseln dar. Die Thermoschockwechsel-Stabilität verschwindet zumindest bei ähnlichen Werkstoffen desselben Herstellers mit steigendem thermi- schen Ausdehnungskoeffizienten. So wurde in Laborversuchen festgestellt, dass bereits bei einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 ppm/K für das Material des Ausgleichkörpers 118 das piezoelektrische Wandlerelement 112 bei Thermoschockwechseln geschädigt wurde.
Allgemein stellt die Verwendung gefüllter Epoxidharze für den Ausgleichkörper 1 18 eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieses Ausgleichkörpers 118 dar. Alternativ oder zusätzlich lassen sich jedoch grundsätzlich auch andere Materialien einsetzen, welche einen geeigneten thermi- sehen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, sei es im Direktverguss und/oder unter Verwendung eines Herstellverfahrens mit separatem Bauteil für den Ausgleichkörper 1 18, andere Materialien einzusetzen, beispielsweise Gläser und/oder Keramiken. Auch hier lassen sich beispielsweise wieder separate Bauteile erzeugen, welche dann, beispielsweise mit einem ge- füllten Epoxidharz-Kleber, beispielsweise mit den oben beschriebenen Eigenschaften, zwischen dem Anpasskörper 116 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 112 verklebt werden können. Auch hier lässt sich die Dicke des Ausgleichkörpers 1 18 leicht einstellen, und es wird keine Form oder verlorene Form am Bauteil selbst benötigt. Derartige Formen oder verlorene Formen lassen sich jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzen. Weiterhin ergeben sich bei dieser Verfahrensvariante keine Entformungsschwierigkeiten, beispielsweise einer stark haftenden Epoxidharzmasse, während einer Halbzeug- oder Plättchenherstellung.
Alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen Direktverguss und/oder der Verwendung eines separaten Bauteils zur Herstellung des Ausgleichkörpers 1 18 sind weitere Herstellungsverfahren denkbar. So kann der Ausgleichkörper 1 18 beispielsweise ganz oder teilweise mittels einer Spritzguss- oder Transfer- mold-Technologie hergestellt und so auf den Anpasskörper 116 aufgebracht werden. Dieser Spritzguss- oder Transfermold-Prozess kann beispielsweise analog zur Häusung eines Siliziumchips durchgeführt werden. Ein Vorteil einer derartigen Prozessführung besteht in einem erhöhten Toleranzausgleich. Wird beispielsweise zur Anpassung der Impedanz ein Anpasskörper 116 verwendet, dessen geometrische Toleranzen für nachfolgende Fertigungsprozesse zu groß sind, so können diese Toleranzen durch die kleineren, werkzeuggebundenen Toleranzen aufgrund des Moldprozesses für die Einkopplungs-Baugruppe, umfassend den Anpasskörper 1 16 und den Ausgleichkörper 118, ausgeglichen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Anpasskörper 116 mechanisch aus einem Halbzeug heruntergearbeitet wird oder wenn dieser in einem Stempel- und/oder Presswerkzeug unter vordefinierter Presskraft und gröber tolerierter Füllmenge bzw. Granulatkonsistenz hergestellt wird.
Auch bezüglich der Herstellung des Anpasskörpers 1 16 bestehen zahlreiche Möglichkeiten. So kann der Anpasskörper 1 16 beispielsweise einen mit Hohlräumen versehenen Werkstoff enthalten, beispielsweise eine poröse Keramik, einen geschäumten Kunststoff, insbesondere ein Duroplast und/oder Thermoplast, allgemein ein Polymer, oder einen mit Hohlkörpern versehenen Kunststoff. Als Hohlkörper können beispielsweise Kunststoff- oder Glashohlkörper in Frage kommen, vorzugsweise Glashohlkugeln. Allgemein kann für mögliche Materialien des Anpasskörpers 1 16, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung alter- nativ oder zusätzlich einsetzbar sind, beispielsweise auf die DE 10 2007 010 500
A1 verwiesen werden. Wird ein Kunststoff als Grundwerkstoff oder Matrixmaterial für den Anpasskörper 116 verwendet, so kann beispielsweise ein mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxidharz-Material eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise ein Polyimid eingesetzt werden, beispielsweise ein geschäumtes, gesintertes oder poröses Polyimid. Als Beispiel ist hier das Polyimid des Typs Vespel® der Firma Dupont zu nennen.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschallwandler (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium, umfassend mindestens piezoelektrisches Wandlerelement (112) sowie mindestens einen Anpasskörper (1 16) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwi- sehen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem fluiden Medium, weiterhin umfassend mindestens einen zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem Anpasskörper (116) eingebrachten Ausgleichkörper (118) zur Reduktion thermischer Spannungen, insbesondere mindestens eine Zwischenschicht, wobei der Ausgleichkörper (1 18) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEZWιschen) aufweist, welcher zwischen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEpιeZo) des piezoelektrischen Wandlerelements (1 12) und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEAnpass) des Anpasskörpers (1 16) liegt, wobei der Ausgleichkörper (1 18) mindestens ein homogenes und/oder makroskopisch zu- mindest weitgehend isotropes Material, insbesondere eine Materialmischung, aufweist.
2. Ultraschallwandler (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEZWιschen) des Ausgleichkörpers (1 18) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(CTEpiezo) des piezoelektrischen Wandlerelements (1 12) kleiner ist als die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEAnpass) des Anpasskörpers (116) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEzwischen) des Ausgleichkörpers (1 18).
3. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichkörper (118) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEzwischen) aufweist, welcher kleiner ist als 20 ppm/K, vorzugsweise kleiner als 15 ppm/K.
4. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anpasskörper (116) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEAnpass) aufweist, welcher größer ist als 20 ppm/K.
5. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichkörper (118) eine Schichtdicke von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 ,0 mm und besonders bevorzugt mindestens 1 ,5 mm aufweist.
6. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichkörper (118) eine Materialmischung aufweist, wobei die Materialmischungen mindestens ein Matrixmaterial und mindestens ein Füllmaterial aufweist.
7. Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das
Matrixmaterial mindestens ein durch einen Vernetzungsprozess aushärtbares und/oder ausgehärtetes Material aufweist, insbesondere ein Epoxidharz.
8. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprü- che, wobei das Füllmaterial mindestens eines der folgenden Materialien um- fasst: einen Quarz, insbesondere ein Quarzmehl; ein keramisches Material; ein Silikat; ein Fasermaterial, insbesondere ein Kohlefasermaterial.
9. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wei- terhin umfassend mindestens ein Fixierelement (138) zur Fixierung einer relativen Position zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (112) und dem Anpasskörper (116) und/oder dem Ausgleichkörper (1 18).
10. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichkörper (118) mindestens ein Formteil, insbesondere eine
Scheibe, umfasst, wobei das Formteil mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (1 12) und/oder dem Anpasskörper (1 16) verbunden wird, insbesondere über eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Verkleben mit einem Klebstoff, welcher einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEKieb) aufweist, der zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEpiezo) des piezoelektrischen Wandlerelements (1 12) und dem ther- mischen Ausdehnungskoeffizienten (CTEAnpass) des Anpasskörpers (116), vorzugsweise mit einem Klebstoff, welcher zumindest teilweise identisch ist mit einem Material des Ausgleichkörpers (1 18).
1 1. Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das
Formteil ein Formteil eines Kunststoffwerkstoffs, insbesondere eine Epoxidharzscheibe, und/oder ein Formteil eines Glases und/oder ein Formteil einer Keramik umfasst.
12. Ultraschallwandler (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anpasskörper (1 16) in Ausgleichkörper (118) zumindest teilweise umschließt, insbesondere als Form eines Gießverfahrens zur Herstellung des Ausgleichkörpers (1 18).
13. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichkörper (118) ganz oder teilweise durch ein Gießverfahren erzeugt wird, insbesondere ein Spritzgießverfahren und/oder ein Transfermolding-Verfahren und/oder ein Direktvergussverfahren und/oder ein Gießverfahren mit einer verlorenen Form.
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