NO320761B1 - Fremgangsmate for fremstilling av en kompositt-ultralydomformer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en kompositt-ultralyd-omformer, som angitt i innledningen til patentkrav I.

En slik kompositt-ultralydomformer er bygget opp av mange små separate, piezoelektrisk aktive omformerelementer. Omformerelementene er dimensjonert slik at de i hovedsaken stråler ut i lengderetningen. Omformerelementene i en kompositt-ultralydomformer er slik innlagret i en kunststoffmatrise at omformerelementene har parallelle lengderetninger. Lengden til de enkelte omformerelementer bestemmer tykkelsen til kompositt-ultralydomformeren og dermed arbeidsfrekvensområdet.

Ved en kjent fremgangsmåte for fremstilling av en slik ultralydomformer (EP 0 462 311 Bl) tilveiebringes det først en form av kunststoff med negative strukturer tilsvarende en gitt anordning av omvandlerelementene, idet formen rager opp over de negative strukturer. Formen fylles med et keramikkmateriale til over de negative strukturer og blir så tørket og brent. Ved brenningen vil kunststofformen forbrenne uten faste rester, og det fremkommer en til en keramikkbunn fiksert anordning av omvandlerelementer. Hulrommene, som oppstår ved utbrenningen av kunststofformen, fylles med en polymer. Derved stillingsfikseres omvandlerelementene og kompositt-ultralydomvandleren får en mekanisk stabilitet samtidig som de akustiske krav tilfredsstilles. Deretter fjernes keramikkbunnen som forbinder omvandlerelementene, og omvandlerelementets endesider belegges med elektroder.

Ved denne fremgangsmåte er det for ren og tapsfri formfjerning i forbindelse med omvandleranordningens negativstrukturer, nødvendig å la negativstrukturene, som danner mellomrommene mellom de enkelte omvandlerelementer, være avsmalnet i tverrsnitt over lengden. Med denne kjente fremgangsmåte kan således bare ultralyd-omformere med kjeglestump- eller pyramidestumpformede omvandlerelementer tilveiebringes. Dessuten kan det bare realiseres begrensede forhold mellom omvandler-elementgeometri og omvandlerelementavstandene, samtidig som keramikkandelen vil være relativt liten og det derved bare kan oppnås en begrenset akustisk ytelsesevne.

Ved en likeledes kjent fremgangsmåte for fremstilling av kompositt-omformere blir det i en på egnet måte fremstilt keramikkblokk ved hjelp av en meget nøyaktig arbeidende keramikksag tatt ut slisser i lengderetning og tverretning. Sagsnittene går bare så dypt at det blir igjen en kontinuerlig underliggende keramikksokkel. Det benyttede emnet fylles med et polymer, fortrinnsvis polyuretan. Etter støpingen kappes keramikksokkelen. Dybden til de i utgangsemnet uttatte sagsnitt bestemmes av omformerens ønskede arbeidsfrekvens (resonansfrekvens).

I US 5,539,965 Al beskrives en metode for fremstilling av en piezoelektrisk anordning. Dette inkluderer kompositter med forskjellige polariserende materialregioner og kompositter med en gradient i deler av det polariserende materialet. Metoden består av flere trinn, hvor det: a) dannes vekselvise lag (11,13,15,19, 21) med polariserbare og ikke-polariserbare materialer hvor avstandsblokker (12,14,16, 18, 20, 22,24,26) benyttes for

å danne hulrom mellom lagene (11,13,15,19,21),

b) hulrommene mellom lagene (11,13,15,19, 21) fylles så med et materiale som har en akustisk impedans som avviker fra lagenes (11,13,15,19,21) akustiske

impedans,

c) fjerne avstandsblokkene (12,14,16, 18,20,22, 24, 26),

d) kutte lagene (11,13,15,19,21) samt materialet fylt mellom lagene (11,13,15, 19, 21) i en retning normalt på lagene, e) fylle kuttene laget i trinn d) med et materiale som har en akustisk impedans som avviker fra lagenes (11,13,15,19,21) akustiske impedans,

f) fjerne den delen av materialet som ikke fremkommer av trinnene a) til e).

I US 4,514,247 Al gjelder en fremgangsmåte for å fremstille en transduser bestående av

kompositt av aktive og passive materialer. Det aktive materialet (12,14, 16,18) er fortrinnsvis piezoelektriske, keramiske materialer. I et første laminat (10) er passive lag (11,13,15, 17,19) og aktive lag (12,14,16,18). Det første laminatet (10) kuttes opp i et sett første plater (20) bestående av striper med passivt materiale (21,23,25, 27, 29) og piezoelektrisk aktivt materiale (22,24,26,28). Videre lamineres så de første platene (20a, 20b, 20c og 20d) fra det første laminatet (10) i et andre laminat (30) bestående av nevnte første plater (20a, 20b, 20c, 20d) og lag med passivt materiale (31,32,33, 34, 35). Det andre laminatet (30) kuttes så opp i et andre sett med plater ortogonalt på stri-pene med aktivt materiale (22,24,26,28). Elektroder (45, 50) festes så på platene til platene fra det andre settet.

IJP 01 166699 A angis en metode for å fremstille en piezoelektrisk platekompositt. Piezoelektriske staver (15) plasseres i en beholder av en første pakkevæske (10), mens de piezoelektriske stavene (15) er plassert. En andre pakkevæske (16) herdes så rundt de piezoelektriske stavene (15) til en fast pakkeanordning (18), slik at en piezoelektrisk kompositt (17) dannes. Den piezoelektriske kompositten (17) kuttes så i plater (19) i gitte tykkelser (t) ortogonalt på de piezoelektriske stavene (15) i den piezoelektriske kompositten (17).

En ulempe ved denne fremgangsmåten er den lange prosesstid som går med til sagingen. Dessuten er vrakprosenten meget høy da tett enkelte av de utsagede søyler vil brytes løs som følge av sprøheten i keramikkmaterialet, hvorved hele emnet blir ubrukbart.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av en kompositt-ultralydomformer hvor man ikke har de nevnte begrensninger og hvor kostnadene kan holdes nede som følge av ekstrem liten vrakprosent og korte prosesstider.

Dette oppnås med en fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen medfører den fordel at man til forskjell fra de kjente fremgangsmåter ikke med en gang fremstiller den tredimensjonale omvandler-blokk med et antall sokkelforbundne keramikksøyler, men først fremstiller keramikklegemet som en todimensjonal, stigelignende struktur. Den tredimensjonale omvandler-blokk fremkommer ved en sammenføying av disse todimensjonale, stige-lignende strukturer. De stigelignende keramikklegemer og den i støpeformen foregående sammenfø-ring av keramikklegemene kan varieres med hensyn til keramikk-geometri og frie rom under hensyntagen til de krav som stilles til den ferdige omformer. De stigelignende, flate keramikklegemer lar seg fremstille ved kjente metoder, og det foretrekkes en pres-semetode, slik som kjent fra fremstillingen av piezokeramiske skiver eller sylindre. Den nye fremgangsmåten er vesentlig raskere og har merkbart lavere vrakprosent enn den kjente sage-metode.

Hensiktsmessige utførelsesformer av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen samt fordel-aktige videreutviklinger og utforminger av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkrav.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til tegningene som viser et utførelseseksempel av en kompositt-ultralydomformer.

På tegningene viser:

Figur 1 et tverrsnitt gjennom en del av en kompositt-ultralydomformer,

Figur 2 et perspektivriss av et keramikklegeme for fremstilling av kompositt-ul tralydomformeren i figur 1, Figur 3 et snitt gjennom en støpeform med isatte keramikklegemer for fremstilling av kompositt-ultralydomformeren i figur 1.

Den i figur 1 i et tverrsnittutsnitt skisserte kompositt-ultralydomformer har et antall små, piezoelektrisk aktive omformerelementer 11 av piezoelektrisk keramikk. Disse kera-mikkelementene er innleiret i en kunststoffmatrise 12 av en polymer, fortrinnsvis polyuretan. Omformerelementene 11 har søyleform og er slik plassert at de har innbyrdes parallelle lengderetninger. På kunststoffmatrisens 12 ene overflate og på den ene endesiden av omformerelementene 11 er det anordnet en gjennomgående elektrode 14. På den andre kunststoffmatriseoverflaten samt på de andre endeflatene til omformerelementene 21, er det anordnet en strukturert elektrode 15. Alt etter ultralyd-omformerens anvendelse kan denne strukturerte elektrode 15 være ringformet eller lineær. Med den strukturerte elektrode 15 blir omformerelementer 11 sammenfattet til separat styrbare grupper. Avhengig av hvilken elektrode 14 eller 15 som peker i sender-retningen, i figur 1 symbolisert med pilen 13, er det på den ene elektroden 14 på kjent måte anordnet minst ett tilpassingssjikt 16 for tilpassing av den akustiske impedans, mens det på den andre elektrode 15 er anordnet et dempesjikt 17, som absorberer mot senderretningen 13 avgitt ultralyd.

Den på denne måte oppbyggede kompositt-ultralydomformer fremstilles ved hjelp av de følgende fremgangsmåtetrinn: Først blir det ved pressing og etterfølgende brenning fremstilt et antall plateformede keramikklegemer 20 som skissert i figur 2. Tykkelsen til keramikklegemet 20 er relativt liten og utgjør eksempelvis mindre enn 0,5 mm. Ved pressing i en pressform blir det i keramikklegemene 20 innarbeidet rundt omkretsen lukkede gjennombrudd 21 med et rettvinklet tverrsnitt og med et optimalisert lengde/breddeforhold. Disse gjennombruddene er innbyrdes parallelle. Som sluttprodukt fremkommer det etter pressingen et stige-lignende legeme bestående av i innbyrdes avstander, tilsvarende gjennombruddenes 21 bredde, anordnede keramikksteg 22 som langs lengdesidene av det plateformede keramikklegemet 20 er forbundet med hverandre ved hjelp av som broer virkende keramikkstriper 23 henholdsvis 24. Keramikkstegene 22 danner de senere omformerelementer 11 i kompositt-ultralydomformeren i figur 1.

De på denne måten fremstilte, stigeformede keramikklegemer 20 blir satt inn i en støpe-form 25, hvor de enkelte keramikklegemer 20 blir innrettet parallelt i forhold til hverandre og med innbyrdes avstand.

Et tverrsnitt av en støpeform 25 med totalt seks innsatte keramikklegemer 20 er vist i figur 3. Antall keramikklegemer 20 bestemmes, på samme måte som antall og lengden til keramikkstegene 22 i de enkelte keramikklegemer 20, av den tilsiktede konfigurasjon av kompositt-ultralydomformeren. Nå fylles støpeformen 25 med et kunststoffmateriale 26 på en slik måte at mellomrommene utfylles og luftlommer unngås. Som kunststoff an-vendes en polymer, fortrinnsvis polyuretan. Dette kunststoffmaterialet 26 vil fylle samtlige gjennombrudd 21 i keramikklegemene 20 og vil også utfylle samtlige mellomrom 27 mellom de enkelte keramikklegemer 20. Etter herdingen av polymeren foreligger det en støpeblokk 28. Støpeformen 25 fjernes. Den frigjorte støpeblokk 28 beskjæres på endene, dvs. på tvers av lengderetningen til gjennombruddene 21 i de enkelte keramikklegemer 20, slik at det i gjennombruddene 21 for hånden værende kunststoffmaterialet 26 frilegges på endene. De enkelte keramikklegemer 20 blir altså ved hjelp av kapping på langs og/eller saging på langs, dvs. langs de smale sidekantene 211, slik at keramikk-stripene 23,24 og mellomliggende kunststoffmateriale 26 i disse områdene fjernes. Mellom stegene 22 foreligger det altså ikke lenger noen broer av keramikkmateriale, og i støpeblokken 28 vil nå de omformerelement-dannende keramikksteg 22 være innleiret i kunststoffmatrisen 12. Da den nominelle frekvens for de enkelte omformerelementer 11 er avhengig av deres lengde, blir endesidene til keramikkstegene 22 nedslipt helt til den nominelle frekvens er oppnådd.

Den slik fremstilte støpeblokk 28 forsynes så med elektrodene 14 og 15 og sjiktene 16

og 17, slik at den i figur 1 skisserte kompositt-ultralydomformer-utførelse fremkommer.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til det beskrevne utførelseseksempel. Således kan kompositt-ultralydomformeren ikke bare utformes som en flateserie, men kan også utformes som en lineær serie. I siste tilfelle settes det bare ett eneste keramikklegeme 20 inn i støpeformen 25, og så går man frem på den for øvrig beskrevne måte.

Støpeformen 25 kan ha en enklere utførelse dersom det på overflaten til de to som broer virkende keramikkstriper 23, 24 i keramikklegemet 20 utformes avstandsknaster som overflødiggjør de på støpeformsiden anordnede avstandssteg.

For spesielle anvendelser kan det i stedet for en rettvinklet støpeform 25 også benyttes en krummet, særlig en ringformet støpeform, hvor de enkelte keramikklegemer settes inn radielt. I tillegg kan også akustisk avkoblende skillesjikt, eksempelvis av kork eller hårskum, innlegges og innstøpes i støpeformen.

I stedet for de stigelignende strukturer kan de flate formlegemer 20 være utformet som kamlignende legemer med kamtenner som rager ut fra en kamrygg. På støpeblokken 28 behøver man da bare å fjerne kamryggen på den ene siden. De i kunstoffrnatrisen innleirede kamtenner vil danne omformerelementene 11.

I stedet for ved hjelp av pressing og brenning kan de flate keramikklegemer også fremstilles på andre måter.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en kompositt-ultralydomformer, som inneholder i kunststoff innlagrede, i hovedsaken i lengderetningen utstrålende omformerelementer av piezoelektrisk keramikk, karakterisert ved følgende trinn: det tilveiebringes flate keramikklegemer (20), som hver har et antall i innbyrdes avstand anordnede, slisslignende gjennombrudd (21) flere keramikklegemer (20) blir satt inn i en støpeform (25) i innbyrdes avstan der, støpeformen (25) fylles med et kunststoffmateriale (26), fortrinnsvis en polymer, den etter herdingen dannede støpeblokk (28) fjernes fra formen, og på den uttatte støpeblokk (28) blir på tvers av gjennombruddenes (21) lengderet ning forløpende sider for hånden værende keramikkmateriale (23, 24) fjernet i en slik grad at det i gjennombruddene (21) innleirede kunststoffmateriale (26) frilegges ved gjennombruddenes smale sidekanter (211).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de flate keramikklegemer (20) danner en respektiv stigelignende struktur med innbyrdes avstandsplasserte keramikksteg (22) som er forbundet med hverandre med keramikkstriper (23,24), og ved at disse keramikkstriper (23,24) fjernes fra den formbefridde støpeblokk (28).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de flate keramikklegemer (20) hver danner et kamlignende legeme med fra en kamrygg tannaktig utragende keramikksteg, og at kamryggene fjernes fra den formbefridde støpe-blokk (28).

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert v e d at fjerningen av det endesidige keramikkmaterialet (23, 24) gjennomføres ved hjelp av kapping eller saging langs gjennombruddenes (21) smale sidekanter (211).

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at de mellom de med kunststoffmaterialet (26) fylte gjennombrudd (21) gjen-blivende keramikksteg (22) avslipes på endesiden til oppnåelsen av den ønskede nominelle frekvens for omformeren.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert v e d at støpeformen (25) er rettvinklet og at keramikklegemene (20) anordnes innbyrdes parallelt i støpeformen (255).

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert v e d at støpeformen (25) er ringformet tilbøyet og at keramikklegemene (20) anordnes radielt støpeformen (25).

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at det i støpeformen (25) legges inn akustisk avkoblende skillesjikt som inn-støpes.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at keramikklegemene (20) pressformes og deretter brennes.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at keramikklegemene (20) utformes med liten materialtykkelse, fortrinnsvis med rettvinklet form.