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Title:
ULTRASONIC TRANSDUCER FOR USE IN A FLUID MEDIUM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/072506
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an ultrasonic transducer (110) for use in a fluid medium. The ultrasonic transducer (110) comprises at least one piezoelectric transducer element (112) and at least one adjustment body (116) for promoting vibration coupling between the piezoelectric transducer element (112) and the fluid medium. The ultrasonic transducer (110) furthermore comprises at least one equalization body (118) introduced between the piezoelectric transducer element (112) and the adjustment body (116) in order to reduce thermal stresses, especially at least one intermediate layer, wherein the equalization body (118) has a thermal expansion coefficient (CTEZwischen) that ranges between a thermal expansion coefficient (CTEPiezo) of the piezoelectric transducer element (112) and a thermal expansion coefficient (CTEAnpass) of the adjustment body (116). The equalization body (118) has at least one homogenous and/or macroscopicically at least substantially isotropic material, especially a material mixture.

Inventors:
MUELLER, Roland (Am Schleifrain 23, Steinheim, 71711, DE)
HUEFTLE, Gerhard (Weiherstr 29, Aspach, 71546, DE)
HORSTBRINK, Michael (Sauerlandstr. 16, Stuttgart-Feuerbach, 70469, DE)
LANG, Tobias (Gutbrodstr. 38, Stuttgart, 70193, DE)
RADWAN, Sami (Dr.-Gotthilf-Schenkel-Weg 44, Stuttgart, 70437, DE)
KUENZL, Bernd (Tilsiter Str. 60, Schwieberdingen, 71701, DE)
WANJA, Roland (Blumenstr. 58, Markgroeningen, 71706, DE)
Application Number:
EP2009/065894
Publication Date:
July 01, 2010
Filing Date:
November 26, 2009
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
MUELLER, Roland (Am Schleifrain 23, Steinheim, 71711, DE)
HUEFTLE, Gerhard (Weiherstr 29, Aspach, 71546, DE)
HORSTBRINK, Michael (Sauerlandstr. 16, Stuttgart-Feuerbach, 70469, DE)
LANG, Tobias (Gutbrodstr. 38, Stuttgart, 70193, DE)
RADWAN, Sami (Dr.-Gotthilf-Schenkel-Weg 44, Stuttgart, 70437, DE)
KUENZL, Bernd (Tilsiter Str. 60, Schwieberdingen, 71701, DE)
WANJA, Roland (Blumenstr. 58, Markgroeningen, 71706, DE)
International Classes:
G01F1/66; G10K11/02
Foreign References:
EP0974814A1
US20050000279A1
DE102008027974A1
US20050061076A1
DE102007010500A1
US20080238262A1
DE10055893A1
DE102007060989A1
DE102007037088A1
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
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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.

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 10 5 , 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 CTE ZW ιsc h e n des Ausgleichkörpers zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE PιeZ o des piezoelektrischen Wandlerelements und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE An pass 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 CTEzwisc h e n näher, insbesondere wesentlich näher, am thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlerelements als am thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE An pass des Anpasskörpers. In anderen Worten wird vorgeschlagen, dass vorzugsweise die Differenz zwischen dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten CTE ZW ιsc h e n des Ausgleichkörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE PιeZ o des piezoelektrischen Wandlerelements kleiner ist, das heißt vom Betrag her kleiner ist, als die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE Anp ass des Anpasskörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichkörpers CTE ZW ιsc h e n -

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 CTEzwisc h e n 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 CTE K ι e b aufweist, der zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE PιeZ o des piezoelektrischen Wandler- elements und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE An pass des Anpasskörpers liegt. Auch eine Zwischenabstufung kann verwendet werden. So kann CTE K ι e b beispielsweise für eine Verklebung zwischen dem Anpasskörper und dem Ausgleichkörper zwischen CTE Anp ass und CTE K ι e b liegen. Zusätzlich oder alternativ kann CTE K ι e b für eine Verklebung zwischen dem Ausgleichkörper und dem piezoelektrischen Wandler zwischen CTE ZW ιschen und CTE PιeZ o 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 0 C. 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 CTE ZW ιsc h e n 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 CTE An pass 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.