WO2013104538A2 - Sound transducer, in particular ultrasonic transducer, and method for the production thereof - Google Patents

Sound transducer, in particular ultrasonic transducer, and method for the production thereof Download PDF

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WO2013104538A2
WO2013104538A2 PCT/EP2013/000054 EP2013000054W WO2013104538A2 WO 2013104538 A2 WO2013104538 A2 WO 2013104538A2 EP 2013000054 W EP2013000054 W EP 2013000054W WO 2013104538 A2 WO2013104538 A2 WO 2013104538A2
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sound
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bismaleimide resin
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Edwin Muz
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Nicolay Verwaltung Gmbh
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    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods 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
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer, in particular a
  • Ultrasonic transducer with a transducer element, such as a piezoceramic disc, and an adaptation layer, such as a syntactic foam, for operation as a transmitter or receiver of ultrasonic pulses, for example in a gaseous medium, and a method for producing such a sound transducer.
  • a transducer element such as a piezoceramic disc
  • an adaptation layer such as a syntactic foam
  • a piezoceramic transducer element can emit only a small part of the ultrasound power to the surrounding air, since the interface ceramic / air is less permeable thereto, the permeability is the lower, the greater the difference of the acoustic impedance resulting from the product of the density and the speed of sound in the respective material or medium is calculated. From the prior art, the use of one or more matching layers is known, wherein theoretically the matching layer is optimal when the
  • Layer thickness is an integer multiple of a quarter of the wavelength of the sound waves in the matching layer and the acoustic
  • Resistance in the matching layer is equal to the root of the product of the acoustic impedances in the adjacent media, for example, the piezoceramic disk on the one hand and the air on the other hand.
  • At least one scarf labstrahl preparation has a ⁇ / 4-layer whose acoustic impedance has a value which is between the acoustic impedance of the
  • is the wavelength of the ultrasound generated in the ⁇ / 4 layer.
  • the ⁇ / 4 layer is prepared by mixing glass hollow spheres with a diameter of about 0.1 mm with polystyrene varnish. After drying the paint, a foam having a pore size of about 0.1 mm and a density of about 0.3 g / cm 3 is obtained . From DE 10 2008 055 126 A1 an ultrasonic transducer for use in a fluid medium is known in which a matching body is made of a pressed or porous sintered polyimide.
  • a piezoelectric or electrostrictive thin-film element is known, which can cause or detect deformations or force in the form of distortions or bending or bending.
  • DE 101 35 414 C1 discloses the production of a non-flat membrane for electroacoustic transducers which has a core layer comprising polymethacrylimide foam and at least one covering layer.
  • the invention has for its object to provide a sound transducer and an associated manufacturing method, with the simple way an even better adaptation of the transducer element to the
  • the object is achieved by a sound transducer in which the matching element at least partially comprises a hardened bismaleimide resin, preferably the resin used consists entirely of a bismaleimide resin.
  • Bismaleimide have a high temperature resistance after curing.
  • the hollow bodies used for the adaptation element are embedded in the bismaleimide resin and form together with the
  • Bismaleimide resin a bismaleimide resin-containing syntactic foam, which provides excellent adjustment of the acoustic impedance of the
  • Transducer element such as a piezoelectric lead zirconium titanate (PZT) ceramic having a typical acoustic impedance of 3 x 10 7 kg / (m 2 s), to the acoustic impedance of air at about 4 x 10 2 kg / (m 2 ⁇ s) offers.
  • PZT piezoelectric lead zirconium titanate
  • the adaptation element produced in this way has significantly better properties than the previously known matching elements or ⁇ / 4 layers.
  • the syntactic foam has a density of greater than 110 and less than 220 kg / m 3 , more preferably greater than 130 and less than 200 kg / m 3, and more preferably greater than 150 and less than 180 kg m 3 .
  • the adaptation of the acoustic impedances is further improved.
  • more than 80% of the hollow bodies, in particular more than 90%, and preferably more than 95%, of the hollow bodies are covered with a layer of the bismaleimide resin in the syntactic foam.
  • the layer thickness may be less than 20 ⁇ m, in particular less than 12 ⁇ m and preferably less than 8 ⁇ m.
  • the packing density of the hollow body in the foam is less than 20%, in particular less than 1 5% and preferably less than 10% lower than in the starting material of the hollow body.
  • the thickness of the matching element is more than three times and less than twenty times the thickness of the matching element
  • Transducer element in particular more than five times and less than fifteen times and preferably more than eight times and less than twelve times.
  • Transducer element less than 0.6 mm, in particular less than 0.4 mm and preferably less than 0.25 mm.
  • a syntactic foam with one or more of the aforementioned parameters leads to a very good sound conduction with a comparatively low specific weight and overall to a very good adaptation of the acoustic impedance.
  • the foam and thus the adjustment element is very good heat resistance to at least 200 ° C and therefore also steam sterilizable, as well as chemical resistant and has a high rigidity.
  • the adjoining the transducer element first sound coupling surface of the matching element and / or to the the
  • the sound transducer according to the invention can in particular for measuring the flow velocity of a fluid, for example a
  • Breathing gas mixtures are used.
  • ultrasonic pulses are sent both in the direction of the flow and in the opposite direction, and the time that is necessary in each case to pass through a defined path is measured. From the duration difference, the
  • Flow rate can be calculated. With operating frequencies between 100 and 500 kHz, a very high accuracy can be achieved. Ultrasound of this frequency can be generated in a simple way with the aid of a slice of piezoceramic, which is provided on the two parallel surfaces with a metallization.
  • the transducer element is operated in the region of its resonant frequency, which is essentially determined by the geometric dimensions, in the case of a disc through the diameter and the thickness. If an alternating voltage is applied to the electrodes of the transducer element, this is excited to oscillate and emits sound waves. Conversely, a voltage proportional to the sound pressure can be tapped at the two electrodes when sound waves impinge on the transducer element.
  • the sound transducer according to the invention not only has an optimal
  • Scarf Iwandmin invention are dispensed with.
  • the invention also relates to a process for the preparation of a
  • Adaptation element comprising hollow bodies embedded in a bismaleimide resin.
  • the bismaleimide resin may be in the form of a powder, a paste or a liquid.
  • To reduce the viscosity is slurried the bismaleimide resin with a solvent and then mixed with the hollow bodies. Thereafter, the solvent is largely evaporated and the resulting paste is cured or crosslinked at temperatures of for example between 150 and 180 ° C according to the respective regulations of the resin supplier. It is advantageous if as little additional air in the foam
  • the mixture is off
  • an as yet uncured green compact of the matching element may be manufactured separately in a mold
  • a green compact of the matching element can be placed on the transducer element and cured on this and in particular crosslinked and are simultaneously firmly connected to the transducer element.
  • the ratio of the mass of the bismaleimide resin (excluding the proportion of the solvent) to the mass of the hollow bodies is more than 0.8 and less than 1.9, in particular more than 1.0, and less than 1.7 and preferably more than 1, 2 and less than 1, 5. In one embodiment, the ratio of the mass of
  • Bismaleimidharz to the mass of the hollow body, which consist of hollow glass spheres, between 1, 0 and 1, 5, in particular between 1, 3 and 1, 4.
  • glass hollow spheres it is possible, for example, to use those of the type K1 or K1 1, which are offered by the company 3M as "glass bubbles.”
  • the "true density" of these spheres is, for example, 125 or 110 g / cm 3 .
  • the packing density is 60%, which is the
  • the mass ratio of resin mass to glass ball mass would theoretically have to be about 5.
  • the hollow glass spheres are covered with a resin layer of a few ⁇ ⁇ thickness, in particular less than 10 ⁇ , and the packing density of about 60% is maintained, in particular, the packing density is reduced by less than 10% compared to the starting material, preferably less than 5%. If the resin layer is very thin, the attenuation of the sound in the matching element increases; with thicker resin layers, the density of the foam increases.
  • the green compact is in contact with a mold element on at least two opposing surfaces. If the green compact is cured directly on the transducer element, the transducer element, in particular its surface facing the adapter element, can form one of the two mold elements. In this way, the thickness of the adjustment element can be reproducibly made very accurate reproducible in a simple manner.
  • the composite of transducer element and adapter element is fixed by means of an elastomer in a housing of the sound transducer.
  • the housing may for example consist of a polymer plastic, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), and / or cup-shaped.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • silicone rubber can be used, for example, via an opening in the bottom surface of the housing in a cavity between the bottom surface and the
  • Transducer element is injected and during curing and the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section through a
  • Fig. 3 shows a section through the inserted into a housing
  • Fig. 4 shows an enlarged view of a section IV of the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section through an embodiment of a transducer 1 according to the invention in a not yet completely produced state.
  • the sound transducer 1 has a transducer element 10, which in the embodiment by a
  • piezoelectric ceramic disc is formed with a diameter of 10 mm and a thickness of 0.2 mm. The essentially of
  • Diameter specific oscillation frequency of the transducer element 10 is about 200 kHz.
  • an electrically conductive and preferably metallic contact layer 12, 14 is applied to the transducer element 10 in each case.
  • the first contact layer 12 is electrically contacted by means of a first connecting line 16, in particular a first connecting wire is soldered.
  • a second connecting line 18 can be attached to the opposite second contact layer 14, in particular soldered.
  • the matching element 20 is formed of a bismaleimide resin having hollow bodies embedded therein, in particular hollow glass spheres, in the form of a syntactic foam.
  • a bismaleimide resin having hollow bodies embedded therein, in particular hollow glass spheres, in the form of a syntactic foam.
  • Adjustment element 20 in the state of Figure 1 is still a green, d. H. the bismaleimide resin is not yet crosslinked, so that the adjustment element 20 is not yet cured.
  • the bismaleimide resin a bismaleimide adhesive of the type PX-305 from Polymerics GmbH Berlin was used
  • the solution thus produced can also be used as an intermediate layer between the second contact layer 12 and the green compact of the adaptation element 20
  • Glass bubbles for example "3M type K1 Glass Bubbles" are stirred into the solution, and this slurry can be poured out onto a flat dish, and after evaporation of the solvent, a layer with a thickness of, for example, 2.5 to 3 mm remains , which already has sufficient inherent stability for further processing.
  • Adjustment element 20 are made or cut out and then brought into abutment with the transducer element 10.
  • FIG. 2 shows a state during the production of the
  • Sound transducer 1 in which the adaptation element 20 is already networked and firmly connected to the transducer element 10.
  • the adjustment element 20 has two sound coupling surfaces 21, 22, wherein a sound coupling surface 21 is in close contact with the transducer element 10 and the
  • Sound coupling surfaces 21, 22 preferably unprocessed.
  • Adjustment element 20 in particular the lateral surface of the im
  • Substantially cylindrical adapter 20 is convex.
  • An electrically insulating hose is laid over the first connection line 16 in order to prevent an electrical short circuit, in particular when installing the sound transducer 1 in a housing 30.
  • the housing 30 preferably consists of a Plastic.
  • the two connection lines 16, 18 are led to outside of the housing 30 and there electrically contacted.
  • the housing 30 is substantially pot-shaped, wherein the sound transducer 1 is inserted so far into the housing that the sound coupling surface 22 of the
  • Adjustment element 20 is substantially flush with the edge of the housing 30. On one of the sound coupling surface 22nd,
  • the housing 30 openings for the passage of the two connecting lines 16, 18.
  • a filling compound 32 can be introduced into the cavity remaining between the transducer element 10 and the bottom surface of the housing 30, by means of which the transducer element 1 can be fixed mechanically and preferably also fluid-tightly in the housing 30.
  • filler 32 for example, a silicone rubber can be used.
  • the transducer element 10 is spaced from the housing 30. in the
  • the arrangement for this purpose an annular gap between the transducer element 10 and the housing 30, which is filled by the filling compound 32.
  • the dimension of the annular gap is not to scale in FIG. 3; in particular, the dimension of the annular gap may be smaller than shown in FIG. 3.
  • the filling compound 32 is flush with the transducer element 10.
  • between the adaptation element 20 and the housing 30 at least
  • annular gap may be provided in sections, which is preferably also filled by the filling compound 32.
  • Annular gap between the adjustment element 20 and housing 30 and a fitting of a deviating from the cylindrical shape adjustment element 20, in particular a tone shown in FIG. 2 nenförmförm
  • Adjustment element 20, carried in the housing 30 with its cylindrical opening. 4 shows an enlarged view of a section IV of the adjustment element 20 in the networked state of FIG. 3.
  • the hollow body 34, in the embodiment glass hollow body, are embedded in the Bismaleimidharz 36e.
  • the wall 38 of the hollow body 34 is so thin that the density of the adaptation element 20 is sufficiently low in order to ensure optimum acoustic coupling of the transducer element 10 to the medium surrounding the sound transducer 1.
  • Outer surface 40 of the wall 38 is covered with a preferably few ⁇ thick layer of Bismaleimidharzes 36, even in the areas in which adjacent hollow body 34 is very close or even abut each other.

Abstract

The invention relates to a sound transducer, in particular an ultrasonic transducer, comprising a transducer element (10) for transducing an electric signal into sound waves and/or from sound waves into an electric signal, and comprising an adapter element (20) for adapting the acoustic impedance of the transducer element (10) to the acoustic impedance of the medium surrounding the transducer (1), the adapter element (20) having hollow bodies (34) that are embedded into a cured resin, characterised in that the adapter element (20) has an at least partially cured bismaleimide resin (36) and in that the hollow bodies (34) are embedded into the bismaleimide resin (36) and, together with the bismaleimide resin (36), form a bismaleimide resin-containing syntactic foam. The invention further relates to a method for producing a transducer of this kind.

Description

Schallwandler, insbesondere Ultraschallwandler,  Sound transducers, in particular ultrasonic transducers,
und Verfahren zu dessen Herstellung  and method for its production
Die Erfindung betrifft einen Schallwandler, insbesondere einen The invention relates to a sound transducer, in particular a
Ultraschallwandler, mit einem Wandlerelement, beispielsweise einer piezokeramischen Scheibe, und einer Anpassungsschicht, beispielsweise einem syntaktischen Schaum, zum Betrieb als Sender oder Empfänger von Ultraschallimpulsen, beispielsweise in einem gasförmigen Medium, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schallwandlers. Ultrasonic transducer, with a transducer element, such as a piezoceramic disc, and an adaptation layer, such as a syntactic foam, for operation as a transmitter or receiver of ultrasonic pulses, for example in a gaseous medium, and a method for producing such a sound transducer.
Ein piezokeramisches Wandlerelement kann nur einen geringen Teil der Ultraschallleistung an die umgebende Luft abgeben, da die Grenzfläche Keramik/Luft hierfür wenig durchlässig ist, wobei die Durchlässigkeit umso geringer ist, je größer der Unterschied der akustischen Impedanz ist, die sich aus dem Produkt der Dichte und der Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Werkstoff bzw. Medium errechnet. Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung einer oder mehrerer Anpassungsschichten bekannt, wobei theoretisch die Anpassungsschicht dann optimal ist, wenn dieA piezoceramic transducer element can emit only a small part of the ultrasound power to the surrounding air, since the interface ceramic / air is less permeable thereto, the permeability is the lower, the greater the difference of the acoustic impedance resulting from the product of the density and the speed of sound in the respective material or medium is calculated. From the prior art, the use of one or more matching layers is known, wherein theoretically the matching layer is optimal when the
Schichtdicke ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge der Schallwellen in der Anpassungsschicht beträgt und der akustische Layer thickness is an integer multiple of a quarter of the wavelength of the sound waves in the matching layer and the acoustic
Widerstand in der Anpassungsschicht gleich der Wurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen in den aneinander angrenzenden Medien ist, beispielsweise der piezokeramischen Scheibe einerseits und der Luft andererseits. Aus der DE 25 37 788 A1 ist ein Ultraschallwandler zur Verwendung in einem Entfernungsmesser bekannt mit einem Wandlerelement zum Resistance in the matching layer is equal to the root of the product of the acoustic impedances in the adjacent media, for example, the piezoceramic disk on the one hand and the air on the other hand. From DE 25 37 788 A1 an ultrasonic transducer for use in a rangefinder is known with a transducer element for
Wandeln eines elektrischen Signals in Schallwellen. Mindestens eine Schal labstrahlfläche weist eine λ/4-Schicht auf, deren akustische Impedanz einen Wert hat, der zwischen der akustischen Impedanz des Convert an electrical signal into sound waves. At least one scarf labstrahlfläche has a λ / 4-layer whose acoustic impedance has a value which is between the acoustic impedance of the
Wandlerelements und der akustischen Impedanz des den Transducer element and the acoustic impedance of the
Ultraschallwandler umgebenden Mediums liegt, wobei λ die Wellenlänge des erzeugten Ultraschalls in der λ/4-Schicht ist. Die λ/4-Schicht wird dadurch hergestellt, dass gläserne Hohlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm mit Polystyrol lack vermischt werden. Nach dem Trocknen des Lackes erhält man einen Schaumstoff mit einer Porengröße von etwa 0,1 mm und einer Dichte von etwa 0,3 g/cm3. Aus der DE 10 2008 055 126 A1 ist ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium bekannt, bei dem ein Anpasskörper aus einem gepressten oder porös gesinterten Polyimid hergestellt ist. Surrounding the ultrasonic transducer surrounding medium, where λ is the wavelength of the ultrasound generated in the λ / 4 layer. The λ / 4 layer is prepared by mixing glass hollow spheres with a diameter of about 0.1 mm with polystyrene varnish. After drying the paint, a foam having a pore size of about 0.1 mm and a density of about 0.3 g / cm 3 is obtained . From DE 10 2008 055 126 A1 an ultrasonic transducer for use in a fluid medium is known in which a matching body is made of a pressed or porous sintered polyimide.
Aus der DE 695 05 430 T2 bzw. EP 0 667 646 B1 ist ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Dünnfilmelement bekannt, die Verformungen oder Krafteinwirkung in Form von Verkrümmungen oder Durch- bzw. Verbiegen hervorrufen oder detektieren können. From DE 695 05 430 T2 or EP 0 667 646 B1 a piezoelectric or electrostrictive thin-film element is known, which can cause or detect deformations or force in the form of distortions or bending or bending.
Aus der DE 101 35 414 C1 ist die Herstellung einer nicht-flachen Membran für elektroakustische Wandler bekannt, die eine Polymethacrylimidschaum aufweisende Kernschicht und mindestens eine Deckschicht aufweist. DE 101 35 414 C1 discloses the production of a non-flat membrane for electroacoustic transducers which has a core layer comprising polymethacrylimide foam and at least one covering layer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler sowie ein zugehöriges Herstellverfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise eine noch bessere Anpassung des Wandlerelements an das den The invention has for its object to provide a sound transducer and an associated manufacturing method, with the simple way an even better adaptation of the transducer element to the
Schallwandler umgebende Medium erreicht werden kann. Sound transducer surrounding medium can be achieved.
Diese Aufgabe ist durch den im Anspruch 1 bestimmten Schallwandler und durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Herstellverfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den This object is achieved by the sound transducer defined in claim 1 and by the specific method of manufacture in the independent claim. Particular embodiments of the invention are in the
Unteransprüchen bestimmt. Subclaims determined.
In einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch einen Schallwandler, bei dem das Anpassungselement mindestens teilweise ein ausgehärtetes Bismaleimidharz aufweist, vorzugsweise das verwendete Harz vollständig aus einem Bismaleimidharz besteht. In one embodiment, the object is achieved by a sound transducer in which the matching element at least partially comprises a hardened bismaleimide resin, preferably the resin used consists entirely of a bismaleimide resin.
Bismaleimide weisen nach der Härtung eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die für das Anpassungselement verwendeten Hohlkörper werden in das Bismaleimidharz eingebettet und bilden zusammen mit dem Bismaleimide have a high temperature resistance after curing. The hollow bodies used for the adaptation element are embedded in the bismaleimide resin and form together with the
Bismaleimidharz einen Bismaleimidharz-haltigen syntaktischen Schaum, der eine hervorragende Anpassung der akustischen Impedanz des Bismaleimide resin a bismaleimide resin-containing syntactic foam, which provides excellent adjustment of the acoustic impedance of the
Wandlerelements, beispielsweise einer piezoelektrischen Blei-Zirkon- Titanat (PZT)-Keramik mit einer typischen akustischen Impedanz von 3 · 107 kg/(m2 · s), an die akustische Impedanz von Luft mit etwa 4 · 102 kg/(m2 · s), bietet. Das so hergestellte Anpassungselement weist deutlich bessere Eigenschaften auf als die bisher bekannten Anpassungselemente oder λ/4- Schichten. Transducer element, such as a piezoelectric lead zirconium titanate (PZT) ceramic having a typical acoustic impedance of 3 x 10 7 kg / (m 2 s), to the acoustic impedance of air at about 4 x 10 2 kg / (m 2 · s) offers. The adaptation element produced in this way has significantly better properties than the previously known matching elements or λ / 4 layers.
In einer Ausführungsart weist der syntaktische Schaum eine Dichte von mehr als 1 10 und weniger als 220 kg/m3 auf, insbesondere mehr als 130 und weniger als 200 kg/m3 und vorzugsweise mehr als 150 und weniger als 180 kg m3. Dadurch ist die Anpassung der akustischen Impedanzen weiter verbessert. In one embodiment, the syntactic foam has a density of greater than 110 and less than 220 kg / m 3 , more preferably greater than 130 and less than 200 kg / m 3, and more preferably greater than 150 and less than 180 kg m 3 . As a result, the adaptation of the acoustic impedances is further improved.
In einer Ausführungsart sind in dem syntaktischen Schaum mehr als 80 % der Hohlkörper, insbesondere mehr ajs 90 % und vorzugsweise mehr als 95 % der Hohlkörper mit einer Schicht des Bismaleimidharzes bedeckt. Die Schichtdicke kann weniger als 20 //m betragen, insbesondere weniger als 12 yc m und vorzugsweise weniger als 8 μνη. In einer Ausführungsart ist die Packungsdichte der Hohlkörper im Schaum weniger als 20 %, insbesondere weniger als 1 5 % und vorzugsweise weniger als 10 % geringer als im Ausgangsmaterial der Hohlkörper. In one embodiment, more than 80% of the hollow bodies, in particular more than 90%, and preferably more than 95%, of the hollow bodies are covered with a layer of the bismaleimide resin in the syntactic foam. The layer thickness may be less than 20 μm, in particular less than 12 μm and preferably less than 8 μm. In one embodiment, the packing density of the hollow body in the foam is less than 20%, in particular less than 1 5% and preferably less than 10% lower than in the starting material of the hollow body.
Beispielsweise kann die Packungsdichte der Hohlkörper im For example, the packing density of the hollow body in
Ausgangsmaterial 60 % betragen, im Schaum dagegen mehr als 48 %, insbesondere mehr als 51 % und vorzugsweise mehr als 54%. Starting material 60%, in the foam, however, more than 48%, in particular more than 51% and preferably more than 54%.
In einer Ausführungsart beträgt die Dicke des Anpassungselements mehr als das Dreifache und weniger als das Zwanzigfache der Dicke des In one embodiment, the thickness of the matching element is more than three times and less than twenty times the thickness of the
Wandlerelements, insbesondere mehr als das Fünffache und weniger als das Fünfzehnfache und vorzugsweise mehr als das Achtfache und weniger als das Zwölffache. In einer Ausführungsart beträgt die Dicke des Transducer element, in particular more than five times and less than fifteen times and preferably more than eight times and less than twelve times. In one embodiment, the thickness of the
Wandlerelements weniger als 0,6 mm, insbesondere weniger als 0,4 mm und vorzugsweise weniger als 0,25 mm. Ein syntaktischer Schaum mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Parameter führt bei vergleichsweise geringem spezifischen Gewicht zu einer sehr guten Schallleitung und insgesamt zu einer sehr guten Anpassung der akustischen Impedanz. Darüber hinaus ist der Schaum und damit das Anpassungselement sehr gut wärmebeständig bis mindestens 200° C und daher auch heißdampfsterilisierbar, sowie chemikalienfest und weist eine hohe Steifigkeit auf. Transducer element less than 0.6 mm, in particular less than 0.4 mm and preferably less than 0.25 mm. A syntactic foam with one or more of the aforementioned parameters leads to a very good sound conduction with a comparatively low specific weight and overall to a very good adaptation of the acoustic impedance. In addition, the foam and thus the adjustment element is very good heat resistance to at least 200 ° C and therefore also steam sterilizable, as well as chemical resistant and has a high rigidity.
In einer Ausführungsart ist die an das Wandlerelement angrenzende erste Schallkoppelfläche des Anpassungselements und/oder die an das denIn one embodiment, the adjoining the transducer element first sound coupling surface of the matching element and / or to the the
Schallwandler umgebende Medium angrenzende zweite Schallkoppelfläche des Anpassungselements unbearbeitet, insbesondere mechanisch unbearbeitet, beispielsweise nicht geschliffen oder gefräst. Untersuchungen haben gezeigt, dass dadurch die Anpassung der akustischen Impedanz weiter verbessert ist. Sound transducer surrounding medium adjacent second sound coupling surface of the adjustment element unprocessed, in particular mechanically unprocessed, for example, not ground or milled. Investigations have shown that this further improves the adaptation of the acoustic impedance.
In einer Ausführungsart ist eine zwischen den beiden Schallkoppelflächen angeordnete, insbesondere eine die beiden Schallkoppelflächen In one embodiment, a arranged between the two sound coupling surfaces, in particular one of the two sound coupling surfaces
verbindende Oberfläche des Anpassungselements konvex geformt. connecting surface of the adjustment element convex shaped.
Auch dadurch ist die akustische Anpassung weiter verbessert. This also further improves the acoustic adaptation.
Der erfindungsgemäße Schallwandler kann insbesondere zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, beispielsweise eines The sound transducer according to the invention can in particular for measuring the flow velocity of a fluid, for example a
Atemgasgemisches, eingesetzt werden. Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in Richtung der Strömung als auch entgegengesetzt gesendet, und die Zeit, die jeweils zum Durchlaufen einer definierten Strecke notwendig ist, wird gemessen. Aus der Laufzeitdifferenz kann die Breathing gas mixtures are used. For this purpose, ultrasonic pulses are sent both in the direction of the flow and in the opposite direction, and the time that is necessary in each case to pass through a defined path is measured. From the duration difference, the
Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Mit Betriebsfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz kann eine sehr hohe Genauigkeit erzielt werden. Ultraschall dieser Frequenz lässt sich auf einfache Weise mit Hilfe einer Scheibe aus Piezokeramik erzeugen, die auf den beiden parallelen Flächen mit einer Metallisierung versehen ist. Das Wandlerelement wird im Bereich seiner Resonanzfrequenz betrieben, die wesentlich durch die geometrischen Abmessungen bestimmt ist, im Falle einer Scheibe durch den Durchmesser und die Dicke. Wird an den Elektroden des Wandlerelements eine Wechselspannung angelegt, wird dieses zu Schwingungen angeregt und sendet Schallwellen aus. Umgekehrt kann an den beiden Elektroden eine dem Schalldruck proportionale Spannung abgegriffen werden, wenn Schallwellen auf das Wandlerelement auftreffen. Der erfindungsgemäße Schallwandler weist nicht nur eine optimale Flow rate can be calculated. With operating frequencies between 100 and 500 kHz, a very high accuracy can be achieved. Ultrasound of this frequency can be generated in a simple way with the aid of a slice of piezoceramic, which is provided on the two parallel surfaces with a metallization. The transducer element is operated in the region of its resonant frequency, which is essentially determined by the geometric dimensions, in the case of a disc through the diameter and the thickness. If an alternating voltage is applied to the electrodes of the transducer element, this is excited to oscillate and emits sound waves. Conversely, a voltage proportional to the sound pressure can be tapped at the two electrodes when sound waves impinge on the transducer element. The sound transducer according to the invention not only has an optimal
Anpassung der akustischen Impedanz auf, sondern auch eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit für die Anwendung der insbesondere in der Medizintechnik verwendeten Sterilisierungsverfahren. Besonders vorteilhaft ist außerdem, dass durch die Verwendung eines Bismaleimidharzes in Verbindung mit den vorzugsweise kugelförmigen Hohlkörpern,  Adjustment of the acoustic impedance, but also a sufficiently high temperature resistance for the application of the sterilization method used in particular in medical technology. It is also particularly advantageous that through the use of a bismaleimide resin in conjunction with the preferably spherical hollow bodies,
insbesondere Glashohlkörpern, eine geringe Dämpfung des Ultraschalls erreichbar ist. Durch die optimale Anpassung der akustischen Impedanz kommt es andererseits zu einem schnellen Abklingen der Schwingung nach Abschalten des elektrischen Anregungssignals, so dass Überlagerungen vermieden werden und eine hohe Pulsfolge erreichbar ist. Auf die im Stand der Technik zu diesem Zweck häufig eingesetzte rückseitige Bedämpfung des Wandlerelements, das sogenannte„Backing", kann bei especially hollow glass bodies, a low attenuation of the ultrasound can be achieved. On the other hand, the optimum adaptation of the acoustic impedance results in a rapid decay of the oscillation after switching off the electrical excitation signal, so that overlays are avoided and a high pulse sequence can be achieved. On the in the prior art for this purpose often used back damping of the transducer element, the so-called "backing", can at
erfindungsgemäßen Schal Iwandlern verzichtet werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Scarf Iwandlern invention are dispensed with. The invention also relates to a process for the preparation of a
Schallwandlerelements mit einem Wandlerelement und einem Sound transducer element with a transducer element and a
Anpassungselement, das Hohlkörper aufweist, die in ein Bismaleimidharz eingebettet sind. Das Bismaleimidharz kann in Form eines Pulvers, einer Paste oder einer Flüssigkeit vorliegen. Zur Herabsetzung der Viskosität wird das Bismaleimidharz mit einem Lösungsmittel aufgeschlämmt und dann mit den Hohlkörpern vermischt. Danach wird das Lösungsmittel weitgehend verdampft und die so entstehende Paste wird bei Temperaturen von beispielsweise zwischen 150 und 180° C entsprechend den jeweiligen Vorschriften des Harzlieferanten ausgehärtet bzw. vernetzt. Dabei ist vorteilhaft, wenn möglichst wenig zusätzliche Luft in den Schaum Adaptation element comprising hollow bodies embedded in a bismaleimide resin. The bismaleimide resin may be in the form of a powder, a paste or a liquid. To reduce the viscosity is slurried the bismaleimide resin with a solvent and then mixed with the hollow bodies. Thereafter, the solvent is largely evaporated and the resulting paste is cured or crosslinked at temperatures of for example between 150 and 180 ° C according to the respective regulations of the resin supplier. It is advantageous if as little additional air in the foam
eingearbeitet wird. In einer Ausführungsart wird die Mischung aus is incorporated. In one embodiment, the mixture is off
Bismaleimidharz und Hohlkörpern bereits während und/oder nach dem Abdampfen des Lösungsmittels in eine Unterdruck-Kammer gebracht, um ein Ausgasen von Luft und/oder das Abdampfen des Lösungsmittels zu beschleunigen. Bismaleimidharz and hollow bodies already brought during and / or after evaporation of the solvent in a vacuum chamber to accelerate outgassing of air and / or evaporation of the solvent.
In einer Ausführungsart kann ein noch nicht ausgehärteter Grünling des Anpassungselements separat in einer Form hergestellt werden, In one embodiment, an as yet uncured green compact of the matching element may be manufactured separately in a mold,
gegebenenfalls auch in einer Form ausgehärtet werden, und anschließend mit dem Wandlerelement verbunden werden. Alternativ hierzu kann ein Grünling des Anpassungselements auf das Wandlerelement aufgesetzt werden und auf diesem ausgehärtet und insbesondere vernetzt werden und dabei gleichzeitig mit dem Wandlerelement fest verbunden werden. optionally also cured in a mold, and then connected to the transducer element. Alternatively, a green compact of the matching element can be placed on the transducer element and cured on this and in particular crosslinked and are simultaneously firmly connected to the transducer element.
Danach ist das Wandlerelement ohne weitere Nachbearbeitung Thereafter, the transducer element without further post-processing
betriebsbereit. operational.
In einer Ausführungsart beträgt beim Aufschlämmen das Verhältnis der Masse des Bismaleimidharzes (ohne den Anteil des Lösungsmittels) zu der Masse der Hohlkörper mehr als 0,8 und weniger als 1 ,9, insbesondere mehr als 1 ,0 und weniger als 1 ,7 und vorzugsweise mehr als 1 ,2 und weniger als 1 ,5. In einer Ausführungsart beträgt das Verhältnis der Masse von In one embodiment, when slurried, the ratio of the mass of the bismaleimide resin (excluding the proportion of the solvent) to the mass of the hollow bodies is more than 0.8 and less than 1.9, in particular more than 1.0, and less than 1.7 and preferably more than 1, 2 and less than 1, 5. In one embodiment, the ratio of the mass of
Bismaleimidharz zu der Masse der Hohlkörper, die aus Glashohlkugeln bestehen, zwischen 1 ,0 und 1 ,5, insbesondere zwischen 1 ,3 und 1 ,4. Als Glashohlkugeln können beispielsweise solche vom Typ Kl oder K1 1 verwendet werden, die von der Firma 3M als„Glass Bubbles" angeboten werden. Die„wahre Dichte" dieser Kugeln beträgt beispielsweise 125 bzw. 1 10 g/cm3. Die Packungsdichte beträgt 60 %, mithin beträgt die Bismaleimidharz to the mass of the hollow body, which consist of hollow glass spheres, between 1, 0 and 1, 5, in particular between 1, 3 and 1, 4. As glass hollow spheres, it is possible, for example, to use those of the type K1 or K1 1, which are offered by the company 3M as "glass bubbles." The "true density" of these spheres is, for example, 125 or 110 g / cm 3 . The packing density is 60%, which is the
Schüttdichte zwischen 60 und 75 g/cm3. Die Dichte des Bismaleimidharzes beträgt etwa 1.000 g/cm3. Um die Glaskugeln vollständig und ohne Bulk density between 60 and 75 g / cm 3 . The density of the bismaleimide resin is about 1,000 g / cm 3 . To the glass balls completely and without
Lufteinschlüsse in das Harz einzubetten, müsste das Masseverhältnis von Harzmasse zu Glaskugelmasse theoretisch etwa 5 betragen. To embed air pockets in the resin, the mass ratio of resin mass to glass ball mass would theoretically have to be about 5.
Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass sehr gute Ergebnisse bei einer Dichte des Schaums von 1 50 bis 180 g/cm3 erzielt werden, obgleich die akustische Impedanz in diesem Fall höher ist als die nach theoretischen Berechnungen optimale akustische Impedanz. Die Glashohlkugeln sind mit einer Harzschicht von wenigen μπ\ Dicke bedeckt, insbesondere weniger als 10 μηη, und die Packungsdichte von etwa 60 % bleibt erhalten, insbesondere ist die Packungsdichte um weniger als 10 % gegenüber dem Ausgangsmaterial reduziert, vorzugsweise um weniger als 5 %. Wenn die Harzschicht sehr dünn ist, steigt die Dämpfung des Schalls im Anpassungselement; bei dickeren Harzschichten nimmt die Dichte des Schaumes zu. Investigations have shown, however, that very good results are achieved with a density of the foam of 1 50 to 180 g / cm 3 , although the acoustic impedance in this case is higher than the theoretically optimal acoustic impedance. The hollow glass spheres are covered with a resin layer of a few μπ \ thickness, in particular less than 10 μηη, and the packing density of about 60% is maintained, in particular, the packing density is reduced by less than 10% compared to the starting material, preferably less than 5%. If the resin layer is very thin, the attenuation of the sound in the matching element increases; with thicker resin layers, the density of the foam increases.
Beim Aushärten bzw. Vernetzen ist der Grünling auf mindestens zwei einander gegenüberliegenden Flächen in Anlage an einem Formenelement. Sofern der Grünling unmittelbar auf dem Wandlerelement ausgehärtet wird, kann das Wandlerelement, insbesondere dessen dem Anpassungselement zugewandte Oberfläche, eines der beiden Formelemente bilden. Auf diese Weise kann auch die Dicke des Anpassungselements auf einfache Weise reproduzierbar sehr genau hergestellt werden. In einer Ausführungsart wird der Verbund aus Wandlerelement und Anpassungselement mittels eines Elastomers in einem Gehäuse des Schallwandlers festgelegt. Das Gehäuse kann beispielsweise aus einem Polymerkunststoff bestehen, etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF), und/oder topfförmig sein. Das Anpassungselement kann bündig mit dem During curing or crosslinking, the green compact is in contact with a mold element on at least two opposing surfaces. If the green compact is cured directly on the transducer element, the transducer element, in particular its surface facing the adapter element, can form one of the two mold elements. In this way, the thickness of the adjustment element can be reproducibly made very accurate reproducible in a simple manner. In one embodiment, the composite of transducer element and adapter element is fixed by means of an elastomer in a housing of the sound transducer. The housing may for example consist of a polymer plastic, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), and / or cup-shaped. The adjustment element can be flush with the
Gehäuserand abschließen. Als Elastomer kann Silikonkautschuk eingesetzt werden, der beispielsweise über eine Öffnung in der Bodenfläche des Gehäuses in einen Hohlraum zwischen der Bodenfläche und dem Complete the edge of the housing. As an elastomer, silicone rubber can be used, for example, via an opening in the bottom surface of the housing in a cavity between the bottom surface and the
Wandlerelement eingespritzt wird und beim Aushärten auch die Transducer element is injected and during curing and the
Anschlussleitungen an das Wandlerelement innerhalb des Gehäuses fixiert.  Connecting lines fixed to the transducer element within the housing.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the subclaims and the following description in which several embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It can in the
Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Claims and features mentioned in the description in each case be essential to the invention individually or in any combination. Fig. 1 shows a schematic representation of a section through a
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, Fig. 2 zeigt einen Zustand im Verlauf der Herstellung des Schallwandlers, bei dem das Anpassungselement ausgehärtet und fest mit dem Wandlerelement verbunden ist,  2 shows a state in the course of the manufacture of the sound transducer, in which the adaptation element is cured and firmly connected to the transducer element,
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den in ein Gehäuse eingesetzten Fig. 3 shows a section through the inserted into a housing
Schallwandler, und  Sound transducers, and
Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt IV aus dem Fig. 4 shows an enlarged view of a section IV of the
Anpassungselement der Fig. 3. Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1 in einem noch nicht vollständig hergestellten Zustand. Der Schallwandler 1 weist ein Wandlerelement 10 auf, das im Ausführungsbeispiel durch eine Adaptation element of FIG. 3. Fig. 1 shows a schematic representation of a section through an embodiment of a transducer 1 according to the invention in a not yet completely produced state. The sound transducer 1 has a transducer element 10, which in the embodiment by a
piezoelektrische Keramikscheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,2 mm gebildet ist. Die im Wesentlichen vom piezoelectric ceramic disc is formed with a diameter of 10 mm and a thickness of 0.2 mm. The essentially of
Durchmesser bestimmte Schwingfrequenz des Wandlerelements 10 beträgt etwa 200 kHz. Auf den einander gegenüberliegenden planparallelen Stirnflächen ist auf das Wandlerelement 10 jeweils eine elektrisch leitfähige und vorzugsweise metallische Kontaktschicht 12, 14 aufgebracht. Vor dem Verbinden des Anpassungselements 20 mit dem Wandlerelement 10 wird die erste Kontaktschicht 12 mittels einer ersten Anschlussleitung 16 elektrisch kontaktiert, insbesondere wird ein erster Anschlussdraht angelötet. Gleichzeitig oder zu einem späteren Zeitpunkt kann eine zweite Anschlussleitung 18 an der gegenüberliegenden zweiten Kontaktschicht 14 angebracht werden, insbesondere angelötet werden. Diameter specific oscillation frequency of the transducer element 10 is about 200 kHz. On the opposite plane-parallel end faces, an electrically conductive and preferably metallic contact layer 12, 14 is applied to the transducer element 10 in each case. Before connecting the matching element 20 to the transducer element 10, the first contact layer 12 is electrically contacted by means of a first connecting line 16, in particular a first connecting wire is soldered. At the same time or at a later time, a second connecting line 18 can be attached to the opposite second contact layer 14, in particular soldered.
Das Anpassungselement 20 ist aus einem Bismaleimidharz mit darin eingebetteten Hohlkörpern, insbesondere Glashohlkugeln, in der Form eines syntaktischen Schaums gebildet. Im Ausführungsbeispiel ist dasThe matching element 20 is formed of a bismaleimide resin having hollow bodies embedded therein, in particular hollow glass spheres, in the form of a syntactic foam. In the exemplary embodiment that is
Anpassungselement 20 im Zustand der Fig. 1 noch ein Grünling, d. h. das Bismaleimidharz ist noch nicht vernetzt, so dass das Anpassungselement 20 noch nicht ausgehärtet ist. Für das Bismaleimidharz wurde ein Bismaleimid- Klebstoff vom Typ PX-305 der Firma Polymerics GmbH Berlin Adjustment element 20 in the state of Figure 1 is still a green, d. H. the bismaleimide resin is not yet crosslinked, so that the adjustment element 20 is not yet cured. For the bismaleimide resin, a bismaleimide adhesive of the type PX-305 from Polymerics GmbH Berlin was used
(www.polymerics.de) verwendet, dessen Viskosität durch Zugabe eines Lösungsmittels, beispielsweise Dichlormethan, herabgesetzt wird. Die so hergestellte Lösung kann auch als Zwischenschicht zwischen die zweite Kontaktschicht 12 und den Grünling des Anpassungselements 20 (www.polymerics.de) whose viscosity is reduced by adding a solvent, for example dichloromethane. The solution thus produced can also be used as an intermediate layer between the second contact layer 12 and the green compact of the adaptation element 20
aufgetragen werden, um die Verbindung zwischen dem Wandlerelement 10 und dem Anpassungselement 20 zu verbessern. In die Lösung werden Glashohlkugeln, beispielsweise„Glass Bubbles" vom Typ K1 der Firma 3M, eingerührt, und diese Ausschlämmung kann auf eine flache Schale ausgegossen werden. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels verbleibt eine Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 2,5 bis 3 mm, die bereits eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Eigenstabilität aufweist. be applied to the connection between the transducer element 10 and the adjustment element 20 to improve. Glass bubbles, for example "3M type K1 Glass Bubbles", are stirred into the solution, and this slurry can be poured out onto a flat dish, and after evaporation of the solvent, a layer with a thickness of, for example, 2.5 to 3 mm remains , which already has sufficient inherent stability for further processing.
Aus dieser Schicht können in der gewünschten Form Grünlinge des From this layer can in the desired shape green compacts of
Anpassungselements 20 ausgestochen oder ausgeschnitten werden und anschließend in Anlage an das Wandlerelement 10 gebracht werden. Adjustment element 20 are made or cut out and then brought into abutment with the transducer element 10.
Die Fig. 2 zeigt einen Zustand im Verlauf der Herstellung des FIG. 2 shows a state during the production of the
Schallwandlers 1 , bei dem das Anpassungselement 20 bereits vernetzt und fest mit dem Wandlerelement 10 verbunden ist. Das Anpassungselement 20 weist zwei Schallkoppelflächen 21 , 22 auf, wobei eine Schallkoppelfläche 21 in dichter Anlage an dem Wandlerelement 10 ist und die Sound transducer 1, in which the adaptation element 20 is already networked and firmly connected to the transducer element 10. The adjustment element 20 has two sound coupling surfaces 21, 22, wherein a sound coupling surface 21 is in close contact with the transducer element 10 and the
gegenüberliegende Schallkoppelfläche 22 die Schal labstrahl fache bzw. Schalleinstrahlfläche des Schallwandlers 1 bildet. Auch für den Fall, dass der Grünling des Anpassungselements 20 bereits vor dem Anbringen an dem Wandlerelement 10 ausgehärtet wird, bleiben die beiden opposite sound coupling surface 22 the scarf labstrahl fold or sound input surface of the transducer 1 forms. Even in the event that the green compact of the adaptation element 20 is already cured before being attached to the transducer element 10, the two remain
Schallkoppelflächen 21 , 22 vorzugsweise unbearbeitet. Eine die beiden Schallkoppelflächen 21 , 22 verbindende Oberfläche 24 des Sound coupling surfaces 21, 22 preferably unprocessed. A surface 24 connecting the two sound coupling surfaces 21, 22
Anpassungselements 20, insbesondere die Mantelfläche des im Adjustment element 20, in particular the lateral surface of the im
Wesentlichen zylindrischen Anpassungselements 20 ist konvex geformt. Über die erste Anschlussleitung 16 ist ein elektrisch isolierender Schlauch gelegt, um insbesondere beim Einbau des Schallwandlers 1 in ein Gehäuse 30 einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern. Substantially cylindrical adapter 20 is convex. An electrically insulating hose is laid over the first connection line 16 in order to prevent an electrical short circuit, in particular when installing the sound transducer 1 in a housing 30.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den in ein Gehäuse 30 eingesetzten Schallwandler 1. Das Gehäuse 30 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff. Die beiden Anschlussleitungen 16, 18 sind nach außerhalb des Gehäuses 30 geführt und dort elektrisch kontaktierbar. Das Gehäuse 30 ist im Wesentlichen topfförmig, wobei der Schallwandler 1 so weit in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Schallkoppelfläche 22 des 3 shows a section through the sound transducer inserted into a housing 1. The housing 30 preferably consists of a Plastic. The two connection lines 16, 18 are led to outside of the housing 30 and there electrically contacted. The housing 30 is substantially pot-shaped, wherein the sound transducer 1 is inserted so far into the housing that the sound coupling surface 22 of the
Anpassungselements 20 im Wesentlichen bündig mit dem Rand des Gehäuses 30 abschließt. Auf einer der Schallkoppelfläche 22 Adjustment element 20 is substantially flush with the edge of the housing 30. On one of the sound coupling surface 22nd
gegenüberliegenden Bodenfläche weist das Gehäuse 30 Öffnungen für den Durchtritt der beiden Anschlussleitungen 16, 18 auf. Entweder über eine dieser Öffnungen oder über eine zusätzliche Öffnung 28 kann in den zwischen dem Wandlerelement 10 und der Bodenfläche des Gehäuses 30 verbleibenden Hohlraum eine Füllmasse 32 eingebracht werden, mittels welcher das Wandlerelement 1 mechanisch fest und vorzugsweise auch fluiddicht in dem Gehäuse 30 festlegbar ist. Als Füllmasse 32 kann beispielsweise ein Silikonkautschuk verwendet werden. opposite bottom surface, the housing 30 openings for the passage of the two connecting lines 16, 18. Either via one of these openings or via an additional opening 28, a filling compound 32 can be introduced into the cavity remaining between the transducer element 10 and the bottom surface of the housing 30, by means of which the transducer element 1 can be fixed mechanically and preferably also fluid-tightly in the housing 30. As filler 32, for example, a silicone rubber can be used.
Das Wandlerelement 10 ist von dem Gehäuse 30 beabstandet. Im The transducer element 10 is spaced from the housing 30. in the
Ausführungsbeispiel weist die Anordnung hierzu einen Ringspalt zwischen dem Wandlerelement 10 und dem Gehäuse 30 auf, der von der Füllmasse 32 ausgefüllt ist. Die Abmessung des Ringspaltes ist in der Fig. 3 nicht maßstäblich, insbesondere kann die Abmessung des Ringspaltes kleiner sein als in der Fig. 3 dargestellt. Die Füllmasse 32 schließt bündig mit dem Wandlerelement 10 ab. Alternativ oder ergänzend kann auch zwischen dem Anpassungselement 20 und dem Gehäuse 30 mindestens Embodiment, the arrangement for this purpose an annular gap between the transducer element 10 and the housing 30, which is filled by the filling compound 32. The dimension of the annular gap is not to scale in FIG. 3; in particular, the dimension of the annular gap may be smaller than shown in FIG. 3. The filling compound 32 is flush with the transducer element 10. Alternatively or additionally, between the adaptation element 20 and the housing 30 at least
abschnittsweise ein Ringspalt vorgesehen sein, der vorzugsweise ebenfalls von der Füllmasse 32 ausgefüllt ist. In einer Ausführungsart kann die Füllmasse 32 an der Schallkoppelfläche 22 bündig mit dem an annular gap may be provided in sections, which is preferably also filled by the filling compound 32. In one embodiment, the filling compound 32 at the sound coupling surface 22 flush with the
Anpassungselement 20 abschließen. In diesem Fall kann durch den Complete fitting element 20. In this case, by the
Ringspalt zwischen Anpassungselement 20 und Gehäuse 30 auch eine Einpassung eines von der Zylinderform abweichenden Anpassungselements 20, insbesondere eines in der Fig. 2 dargestellten ton nenförm igen Annular gap between the adjustment element 20 and housing 30 and a fitting of a deviating from the cylindrical shape adjustment element 20, in particular a tone shown in FIG. 2 nenförmförm
Anpassungselements 20, in das Gehäuse 30 mit seiner zylindrischen Öffnung erfolgen. Die Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt IV aus dem Anpassungselement 20 im vernetzten Zustand der Fig. 3. Die Hohlkörper 34, im Ausführungsbeispiel Glashohlkörper, sind in das Bismaleimidharz 36e ingebettet. Die Wandung 38 der Hohlkörper 34 ist so dünn, dass die Dichte des Anpassungselements 20 ausreichend gering ist, um eine optimale akustische Ankopplung des Wandlerelements 10 an das den Schallwandler 1 umgebende Medium zu gewährleisten. Die Adjustment element 20, carried in the housing 30 with its cylindrical opening. 4 shows an enlarged view of a section IV of the adjustment element 20 in the networked state of FIG. 3. The hollow body 34, in the embodiment glass hollow body, are embedded in the Bismaleimidharz 36e. The wall 38 of the hollow body 34 is so thin that the density of the adaptation element 20 is sufficiently low in order to ensure optimum acoustic coupling of the transducer element 10 to the medium surrounding the sound transducer 1. The
Außenoberfläche 40 der Wandung 38 ist mit einer vorzugsweise wenige μνη dicken Schicht des Bismaleimidharzes 36 bedeckt, auch in den Bereichen, in welchen sich benachbarte Hohlkörper 34 sehr nahe kommen oder sogar aneinander anliegen. Outer surface 40 of the wall 38 is covered with a preferably few μνη thick layer of Bismaleimidharzes 36, even in the areas in which adjacent hollow body 34 is very close or even abut each other.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
Schallwandler (1 ), insbesondere Ultraschallwandler, mit einem Sound transducer (1), in particular ultrasonic transducer, with a
Wandlerelement (10) zum Wandeln eines elektrischen Signals in Schallwellen und/oder von Schallwel len in ein elektrisches Signal und mit einem Anpassungselement (20) zum Anpassen der akustischen Impedanz des Wandlerelements (10) an die akustische Impedanz des den Schallwandler (1 ) umgebenden Mediums, wobei das Transducer element (10) for converting an electrical signal in sound waves and / or Schallwel len in an electrical signal and with a matching element (20) for adjusting the acoustic impedance of the transducer element (10) to the acoustic impedance of the sound transducer (1) surrounding medium , where the
Anpassungselement (20) in ein ausgehärtetes Harz eingebettete Hohlkörper (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptation element (20) in a cured resin embedded hollow body (34), characterized in that the
Anpassungselement (20) mindestens teilweise ein ausgehärtetes Bismaleimidharz (36) aufweist, und dass die Hohlkörper (34) in das Bismaleimidharz (36) eingebettet sind und zusammen mit dem Adapter element (20) at least partially comprises a hardened bismaleimide resin (36), and in that the hollow bodies (34) are embedded in the bismaleimide resin (36) and together with the
Bismaleimidharz (36) einen Bismaleimidharz-haltigen syntaktischen Schaum bi lden. Bismaleimidharz (36) bi lden a bismaleimide resin-containing syntactic foam.
Schallwandler (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der syntaktische Schaum eine Dichte von mehr als 1 10 und weniger als 220 kg/m3 aufweist, insbesondere von mehr als 1 30 und weniger als 200 kg/m3 und vorzugsweise von mehr als 1 50 und weniger als 180 kg/m3. Sound transducer (1) according to claim 1, characterized in that the syntactic foam has a density of more than 1 10 and less than 220 kg / m 3 , in particular of more than 1 30 and less than 200 kg / m 3, and preferably more as 1 50 and less than 180 kg / m 3 .
Schallwandler (1 ) nach Anspruch 1 oder einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 80 % der Sound transducer (1) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that more than 80% of the
Hohlkörper (34), insbesondere mehr als 90 % und vorzugsweise mehr als 95 % der Hohlkörper (34) mit einer Schicht des Bismaleimidharzes (36) bedeckt sind, wobei die Schichtdicke weniger als 20 μνη, insbesondere weniger als 1 2 μηη und vorzugsweise weniger als 8 μτη beträgt. Schallwandler (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Hollow body (34), in particular more than 90% and preferably more than 95% of the hollow body (34) are covered with a layer of Bismaleimidharzes (36), wherein the layer thickness less than 20 μνη, in particular less than 1 2 μηη and preferably less than 8 μτη is. Sound transducer (1) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the
Anpassungselements (20) mehr als das Dreifache und weniger als das Zwanzigfache der Dicke des Wandlerelements (10) beträgt, insbesondere mehr als das Fünffache und weniger als das Adjustment element (20) is more than three times and less than twenty times the thickness of the transducer element (10), in particular more than five times and less than that
Fünfzehnfache und vorzugsweise mehr als das Achtfache und weniger als das Zwölffache. Fifteen times and preferably more than eight times and less than twelvefold.
Schallwandler (1 ) nach Anspruch 1 oder einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Sound transducer (1) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the
Wandlerelements (10) weniger als 0,6 mm beträgt, insbesondere weniger als 0,4 mm und vorzugsweise weniger als 0,25 mm. Transducer element (10) is less than 0.6 mm, in particular less than 0.4 mm and preferably less than 0.25 mm.
Schallwandler (1 ) nach Anspruch 1 oder einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an das Wandlerelement (10) angrenzende erste Schallkoppelfläche (21) und/oder die an das den Schallwandler (1) umgebende Medium angrenzende zweite Schallkoppelfläche (22) des Anpassungselements (20) unbearbeitet ist, insbesondere mechanisch unbearbeitet ist. Acoustic transducer (1) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the first sound coupling surface (21) adjoining the transducer element (10) and / or the second sound coupling surface (22) of the medium surrounding the sound transducer (1) adjoin the second sound coupling surface Adjustment element (20) is unprocessed, in particular mechanically unprocessed.
Schall wandler (1 ) nach Anspruch 1 oder einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen den beiden Schallkoppelflächen (21 , 22) angeordnete Oberfläche (24) des Sound transducer (1) according to Claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that a surface (24) of the surface arranged between the two sound coupling surfaces (21, 22)
Anpassungselements (20), insbesondere eine die beiden Adjustment element (20), in particular one the two
Schallkoppelflächen (21 , 22) verbindende Oberfläche (24) des Sound coupling surfaces (21, 22) connecting surface (24) of the
Anpassungselements (20), konvex geformt ist. Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers (1), insbesondere eines Ultraschallwandlers, mit einem Wandlerelement (10) zum Wandeln eines elektrischen Signals in Schallwellen und/oder von Schallwellen in ein elektrisches Signal und mit einem Adjustment element (20) is convex. Method for producing a sound transducer (1), in particular an ultrasound transducer, having a transducer element (10) for converting an electrical signal into sound waves and / or from sound waves into an electrical signal and with a transducer
Anpassungselement (20) zum Anpassen der akustischen Impedanz des Wandlerelements (10) an die akustische Impedanz des den Adjustment element (20) for adjusting the acoustic impedance of the transducer element (10) to the acoustic impedance of the
Schallwandler (1 ) umgebenden Mediums, wobei das Sound transducer (1) surrounding medium, wherein the
Anpassungselement (20) Hohlkörper (34) aufweist, die in ein ausgehärtetes Harz eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (34) in einer Lösung aus einem Bismaleimidharz (36) und einem Lösungsmittel aufgeschlämmt werden, und dass durch Verdunsten des Lösungsmittels ein Grünling des Anpassungselements (20) gebildet wird, der unter Bildung eines Bismaleimidharz-haltigen Schaums ausgehärtet und beim Aushärten oder anschließend an das Aushärten mit dem Wandlerelement (10) verbunden wird. Adaptation element (20) hollow body (34) embedded in a cured resin, characterized in that the hollow body (34) are slurried in a solution of a Bismaleimidharz (36) and a solvent, and that by evaporation of the solvent, a green body the adaptation element (20) is formed, which is cured to form a Bismaleimidharz-containing foam and connected during curing or subsequent to curing with the transducer element (10).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Masse des Bismaleimidharzes (36) zu der Masse der Hohlkörper (34) beim Aufschlämmen mehr als 0,8 und weniger als 1 ,9 beträgt, insbesondere mehr als 1 ,0 und weniger als 1 ,7 und vorzugsweise mehr als 1 ,2 und weniger als 1 ,5. A method according to claim 8, characterized in that the ratio of the mass of the bismaleimide resin (36) to the mass of the hollow body (34) during slurrying more than 0.8 and less than 1, 9, in particular more than 1, 0 and less than 1, 7 and preferably more than 1, 2 and less than 1, 5.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling des Anpassungselements (20) beim Aushärten auf A method according to claim 8 or 9, characterized in that the green body of the adaptation element (20) during curing
mindestens zwei einander gegenüberliegenden Flächen in Anlage an einem Formenelement ist. Verfahren nach Anspruch 8 oder einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Wandlerelement (10) und Anpassungselement (20) mittels eines Elastomers Gehäuse (30) festgelegt wird. is at least two opposing surfaces in contact with a mold element. Method according to claim 8 or one of claims 8 to 10, characterized in that the composite of transducer element (10) and adjustment element (20) is fixed by means of an elastomer housing (30).
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