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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise
in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik oder im
Automobilbereich, insbesondere im Ansaug- und/oder Abgastrakt von
Verbrennungsmotoren, zur Volumenstrom- oder Massenstrommessung eingesetzt
werden. 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 üblicherweise 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 Fluids beeinflusst. Aus
dem Grad der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids schließen.
Ein Beispiel derartiger Ultraschall-Durchflussmesser, welcher in
verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden kann, ist in
DE 10 2004 060 064
A1 beschrieben.
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Bei
der Ultraschallströmungsmessung handelt es sich um eine
berührungslose, schnelle und zumindest teilweise über
den Strömungsquerschnitt integrierende Messmethode. Darüber
hinaus werden im Gegensatz zum thermischen Messverfahren keine filigranen
und empfindlichen Heizstrukturen innerhalb der Strömung
benötigt. Diese grundsätzlichen Vorteile können
je nach Einsatzbedingungen eine verbesserte Messgenauigkeit bewirken.
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Ein
Nachteil vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch
zumindest bei gasförmigen Medien im geringen Signalhub,
d. h. z. B. den geringen Laufzeitveränderungen, die das
Verfahren bei kleinen Strömungsraten häufig sehr
driftanfällig machen – ein Fehler, der auch oft
als „zero flow error" bezeichnet wird.
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Erschwerend
kommt hinzu, dass die von einem üblichen Ultraschallgeber
(z. B. einer Piezokeramik) erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung
in das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied
(ca. einen Faktor 6·105) überwinden
muss. Infolgedessen werden in der Regel ca. 99,9995% der Schallenergie
auf dem Weg von einer Piezokeramik in Luft an der entsprechenden
Grenzfläche zurückreflektiert und sind für die
Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflexionsverlust tritt nochmals
beim zweiten, empfangenden Wandler auf (welcher auch mit dem ersten
Wandler identisch sein kann).
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Um
die akustische Kopplung zwischen Piezoelement und dem zu messenden
Fluid zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen
zur Impedanzanpassung eingesetzt. Beispielsweise lassen sich zwischen
das Piezoelement und das Fluid ein oder mehrere Anpassschichten
zur Impedanzanpassung einbringen, welche akustische Impedanzen aufweisen
die zwischen denjenigen des Piezomaterials und des Fluids liegen.
Dies schränkt jedoch die möglichen Ansätze
für die Konstruktion der Ultraschallwandler stark ein.
So lassen sich zur Impedanzanpassung beispielsweise Membranen oder λ/4-Schichten
einsetzen, auf die das meist dünne Piezoelement aufgeklebt
ist. Zumindest im Fall einer Membran wird jedoch die Resonanzfrequenz
des Wandlers eher durch die Membrangeometrie bestimmt als durch
das Piezoelement allein.
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Auch
andere Arten von Anpassschichten sind bekannt, welche auf das Piezoelement
aufgebracht werden. Eine Großserien-Fertigung von Luftultraschallwandlern
nach den be kannten Prinzipien beinhaltet jedoch aufwändige
und teure Prozessschritte. Insbesondere ist in vielen Fällen
eine spanende Bearbeitung der Anpassschicht erforderlich, was je
nach Werkstofftyp zu rauen Oberflächen führt, die
eine akustisch vorteilhafte dünne und reproduzierbare Klebung
erschweren. Auch bei einer Fertigung der Anpassschicht ohne spanende
Bearbeitung (z. B. in einem Gieß/Spritzprozess) bleibt
die Notwendigkeit eines separaten Klebeprozesses.
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Weitere
Einschränkungen bezüglich der zu nutzenden Ultraschallfrequenz
und des Wandlerdesigns ergeben sich für bekannte Ultraschallwandler aus
physikalischen Effekten wie Schallfeldformung im Fluid, Absorption
und Dispersion.
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Zusätzlich
zu diesen Designeinschränkungen kann aus üblichen
Zieltoleranzen für eine Strömungsmessung im Ansaugbereich
von PKW-Motoren die Anforderung abgeleitet werden, dass der oszillierende
Einschwingverlauf des Ultraschallwandlers zumindest im Sinne der
differenziellen Laufzeitmessung rein mechanisch immer näherungsweise exakt
gleich bleibt, und zwar mit einer Genauigkeit von beispielsweise
ca. 1/1000 einer einzelnen mechanischen Schwingung. Dabei gehen
in diesen mechanischen Einschwingverlauf neben Wandlergrunddesign
und Wandlergeometrie auch entscheidend die inneren Werkstoffeigenschaften
und Verbindungen der Werkstoffe untereinander ein. Dadurch ist es schwierig,
die bei einer thermischen Strömungsmessung üblichen
Toleranzen zu erreichen oder gar zu verbessern.
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Die
Anpassschicht wird üblicherweise als vorgefertigtes Teil
mit einem Klebstoff auf den piezoelektrischen Wandler bzw. auf dessen
Elektrode aufgeklebt oder ein Anpassschichtwerkstoff wird im unvernetzten
Zustand mit dem piezoelektrischen Wandler in Kontakt gebracht, so
dass sich eine Haftung zwischen Piezoelement und Anpassschicht nicht durch
einen separaten Klebstoff, sondern nach Aushärtung durch
die Moleküle der Anpassschicht selbst einstellt.
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Um
eine günstige akustische Kopplung zwischen dem Piezoelement
und dem fluiden Medium, insbesondere Luft, herzustellen, muss die
akustische Impedanz der Anpassschicht (bzw. die akustischen Impedanzen
der Anpassschichten) in einem Bereich liegen, der bei vielen Stoffen
nur durch eine Dichtereduktion zu erzielen ist. Als Werkstoff für
die Anpassschicht kommen beispielsweise Epoxydharze, ungesättigte
Polyester oder BMC-Massen (BMC: bulk molding compound, ein Faser-Matrix-Halbzeug,
welches zumeist Kurz-Glasfasern und ein Polyester- oder Vinylesterharz
oder andere Faser/Harzsysteme aufweist) mit Glashohlkugel-Beimischungen
oder geschäumte, gesinterte oder anders mit Hohlräumen versehene
Kunststoffe in Frage. Hierbei sollten thermische Spannungen am Übergang
zwischen Piezomaterial und Anpassschicht vermieden werden. Insbesondere
bei den hohen thermischen Belastungen und Temperaturschockwechseln,
welche in der Auto mobilindustrie auftreten, können in diesem Übergangsbereich
hohe mechanische Spannungen auftreten, was zu Alterungseffekten
oder sogar ausfällen der Ultraschallwandler führen
könnte.
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Nachteilig
an bekannten Systemen ist also, dass diese nicht nur starken Designeinschränkungen unterworfen
sind, sondern dass auch die Signalqualität und die Funktionstoleranzen
in vielen Fällen Potential für weitere Verbesserungen
aufweisen. Auch die Herstellung derartiger Elemente ist meist aufwändig
und teuer. Zudem lässt insbesondere die thermische Belastbarkeit
und das Alterungsverhalten Raum für weitere Verbesserungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Ultraschallwandler, ein Strömungsmesssystem,
welches diesen Ultraschallwandler umfasst sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Ultraschallwandlers vorgeschlagen, welches die
Nachteile bekannter Systeme und Verfahren zumindest weitgehend vermeidet.
Insbesondere ist der Ultraschallwandler stabiler gegenüber
thermischen Belastungen, wodurch dieser für Automotive-Anwendungen,
insbesondere unter Motoranbaubedingungen, besonders geeignet ist.
Zudem weist der vorgeschlagene Ultraschallwandler geringe Funktionstoleranzen
bezüglich Ultraschall-Strömungsmessungen auf.
Ein derartiger Ultraschallwandler und ein derartiges Strömungsmesssystem
kann somit insbesondere auch als robusterer Ersatz des heute üblichen thermischen
Luftmassenmessersystems eingesetzt werden, oder sogar an motorregelungstechnisch günstigeren
Orten zum Einsatz kommen, an welchen das übliche thermische
Messprinzip an seine Grenzen stößt (zum Beispiel
nach einem Ladeluftkühler oder in einer gekühlten
Abgasrückführleitung).
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Der
vorgeschlagene Ultraschallwandler umfasst ein piezoelektrisches
Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper mit einer
Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung
zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenden
fluiden Medium. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements
ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische
Wandler, welche nach ferroelektrischen, elektrostatischen, magnetostriktiven,
magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten
können.
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Zwischen
dem piezoelektrischen Wandlerelement und der Anpassschicht ist mindestens
eine Zwischenschicht zur Reduktion thermischer Spannungen zwischen
der Anpassschicht und dem piezoelektrischen Wandlerelement vorgesehen.
Erfindungsgemäß umfasst diese Zwischenschicht
mindestens ein Fasermaterial. Unter einer Zwischenschicht ist dabei
eine Schicht zu verstehen, welche zumindest teilweise nicht identisch
ist mit der mit der Anpassschicht oder Schichten des piezoelektrischen Wandlerelements,
also eine unterscheidbare Schicht.
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Dabei
kann die Zwischenschicht insbesondere ein Elastizitätsmodul
(E-Modul) aufweisen, welches grundsätzlich im gesamten
Bereich zwischen dem E-Modul des piezoelektrischen Wandlerelements
und dem E-Modul der Anpassschicht angesiedelt sein kann. Auch darüber
hinausgehende E-Module sind möglich. Dies ist dadurch bedingt,
dass die Zwischenschicht in der Regel wesentlich dünner
ist als die akustische Wellenlänge, so dass die Akustik durch
die Wahl des Elastizitätsmoduls nicht negativ beeinflusst
wird. Lediglich eine höhere Flexibilität der Zwischenschicht
im Vergleich zur Anpassschicht kann sich negativ bemerkbar machen,
da in diesem Fall die akustische Kopplung ungünstig wäre.
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Wichtiger
als eine geeignete Wahl des E-Moduls der Zwischenschicht kann die
Auswahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (häufig
mit α bezeichnet) des Zwischenschichtmaterials sein. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient, welcher häufig in ppm/°K
angegeben wird, sollte vorzugsweise näher an dem entsprechenden
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlermaterials
liegen (welcher typischerweise bei ca. 7 ppm/°K liegt)
als an demjenigen der Anpassschicht (welcher typischerweise im Bereich > 30 ppm/°K liegt).
So können beispielsweise für die Zwischenschicht
Materialien verwendet werden, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von weniger als 20 ppm/°K und besonders bevorzugt von weniger als
15 ppm/°K aufweisen.
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Das
Fasermaterial kann lose Fasern, ein Fasergeflecht, ein Faserverbundmaterial
oder ähnliche Fasermaterialien oder Fasermaterialkombinationen umfassen.
Das Fasermaterial kann ein organisches Fasermaterial, ein Kohlefasermaterial,
ein Bor-haltiges Fasermaterial, insbesondere Borfasern, ein metallhaltiges
Fasermaterial, insbesondere Metallfasern, ein anorganisches Fasermaterial,
insbesondere in polkristalliner oder amorpher Form, insbesondere
ein Glasfasermaterial oder ein Keramikfasermaterial, oder Kombinationen
dieser oder anderer Materialien umfassen. Weitere Materialien oder
Materialkombinationen sind denkbar.
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Neben
dem Fasermaterial kann die Zwischenschicht weiterhin mindestens
ein Matrixmaterial aufweisen. Das Matrixmaterial kann dabei insbesondere
einen oder mehrere der folgenden Werkstoffe umfassen: ein Harz,
insbesondere ein Epoxydharz; einen Polyester; ein BMC-Material (BMC:
bulk molding compound); einen Klebstoff; ein thermoplastisches Polymer;
ein duroplastisches Polymer. Dabei kann dieses Matrixmaterial vorzugsweise
auch zumindest teilidentisch sein mit mindestens einem Material
des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht. So kann
das Matrixmaterial selbst beispielsweise auch eine Grenzschicht
des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht umfassen,
welche dem piezoelektrischen Wandlerelement benachbart liegt. In
diese Grenzschicht kann das oben beschriebene Fasermaterial eingebettet
werden.
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Die
Anpassschicht kann grundsätzlich ebenfalls die oben beschriebenen
Materialien des Matrixmaterials umfassen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn
die Anpassschicht ein thermisch, chemisch oder photochemisch aushärtbares
oder vernetzbares Polymermaterial umfasst. Dieses Polymermaterial kann
beispielsweise ein syntaktisches Material, ein duroplastisches Material
(insbesondere ein Epoxydharz, ein Polyester, ein Phenolharz oder
einen Cyanatester), einen Thermoplasten, ein Elastomer (insbesondere
Silikon), einen Polymerblend, ein Polyimid (insbesondere Kapton),
oder eine Mischung der genannten und/oder anderer Materialien umfassen. Daneben
kann, wie eingangs beschrieben, dieses Polymermaterial weiterhin
mindestens einen Füllstoff aufweisen, insbesondere mindestens
einen der folgenden Füllstoffe: Hohlräume (zum
Beispiel durch Schäumen erzeugte Hohlräume), Fasern,
Glashohlkugeln, Kunststoffhohlkugeln, einen flüchtigen
Füllstoff (insbesondere einen während oder nach
einem Vernetzen des Polymers entweichenden oder entfernbaren Füllstoff)
oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Füllstoffmaterialien
umfassen.
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Bezüglich
der geometrischen Ausgestaltung der Zwischenschicht bestehen zahlreiche
vorteilhaft einsetzbare Möglichkeiten. Besonders bevorzugt
ist es, wenn die Zwischenschicht das piezoelektrische Wandlerelement
zumindest teilweise umschließt. Beispielsweise kann die
Zwischenschicht neben einer Stirnfläche des piezoelektrischen
Wandlerelements auch Seitenflächen desselben ganz oder
teilweise kontaktieren bzw. umschließen.
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Weiterhin
kann die Zwischenschicht auch, neben den Eigenschaften der Reduktion
thermischer Spannungen durch Verwendung des Fasermaterials, weitere
vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. So ist es besonders bevorzugt,
wenn die Zwischenschicht zumindest teilweise elektrisch leitfähige
Eigenschaften aufweist. In diesem Fall kann insbesondere die Zwischenschicht,
welche zur Erzeugung der Leitfähigkeit beispielsweise einen
Leitkleber, Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, einen leitfähigen
Kunststoff und/oder andere Materialien oder Kombinationen der genannten
Materialien umfassen kann, insbesondere zur Kontaktierung einer
oder mehrerer Elektroden des Piezoelektrischen Wandlerelements genutzt
werden.
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Zur
Verbindung der Zwischenschicht mit dem piezoelektrischen Wandlerelement
lassen sich, neben stoffschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel durch
Kleben) und/oder formschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel
durch das oben beschriebene Umschließen des piezoelektrischen
Wanderelements durch die Zwischenschicht) vorteilhaft, alternativ
oder zusätzlich auch formschlüssige Klammerverbindungen
mit dem piezoelektrischen Wandlerelement einsetzen. Diese Weiterbildung
der Erfindung ist besonders bevorzugt in Zusammenhang mit einer
leitfähigen Zwischenschicht und der oben beschriebenen Möglichkeit
der Kontaktierung mindestens einer Elektrode des piezoelektrischen
Wandlerelements durch die Zwischenschicht. Zusätzlich zu
einer Klammerverbindung kann auch eine Klebeverbindung eingesetzt
werden.
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Neben
dem beschriebenen Ultraschallwandler wird weiterhin ein Strömungsmesssystem
vorgeschlagen, welches mindestens einen Ultraschallwandler nach
einer der oben beschriebenen Ausführungen umfasst. Weiterhin
weist das Strömungsmesssystem eine mit dem Ultraschallwandler
verbundene Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung mindestens
einer Strömungsgröße eines strömenden
fluiden Mediums auf.
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Der
vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Strömungsmesssystem
weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten
Strömungsmesssystemen zahlreiche erhebliche Vorteile auf.
So sorgt der Anpasskörper auf effiziente Weise dafür, dass
die akustische Impedanz und/oder die Resonanzeigenschaften eine
Schwingungskopplung zwischen dem Wandlerelement und dem umgebenden
Fluid begünstigen.
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Theoretisch
sollte für eine gute Ultraschallankopplung die Impedanz
der Anpassschicht zumindest näherungsweise das geometrische
Mittel zwischen den Impedanzen der Luft (bzw. dem Fluid) und des
piezoelektrischen Materials betragen. Dies ist jedoch in den meisten
Fällen praktisch kaum realisierbar. Als besonders bevorzugter
Bereich für die Impedanz der Anpassschicht wurde daher
ein Bereich zwischen 0,1·106 kg/(m2s) und 2,5·106 kg/(m2s) ermittelt, besonders bevorzugt ein Bereich
zwischen 0,5·106 kg/(m2s)
und 1,6·106 kg/(m2s)
oder sogar 1,5·106 kg/(m2s). Beispielsweise kann bevorzugt ein Wert
von 0,8·106 kg/(m2s)
verwendet werden. Diese bevorzugten Werte gelten für eine
einschichtige Anpassschicht und Luft oder andere Gase bei Normaldruck
als fluides Medium. Bei Flüssigkeiten können höhere
Impedanzen verwendet werden, wobei auf Dichtereduktionen (z. B.
durch Füllungen mit Glashohlkugeln) verzichtet werden kann.
Wiederum andere Impedanzen können bei mehrschichtigen Anpassschicht-Aufbauten
verwendet werden. Hierbei kann insbesondere versucht werden, die
Impedanzen schrittweise von der Impedanz des piezoelektrischen Materials
auf die Impedanz des fluiden Mediums anzupassen.
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Im
Grenzbereich des Anpasskörpers zum piezoelektrischen Wandlerelement
hin sorgen hingegen die Fasern in der Zwischenschicht (welche, wie oben
beschrieben, auch Teil des Anpasskörpers sein kann) für
einen günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und sorgen hierdurch dafür, dass mechanische und/oder thermomechanische
Verspannungen in diesem Übergangsbereich erheblich reduziert
werden können. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Piezokeramiken
eingesetzt werden, welche im Vergleich zu üblichen Kunststoffen
der Anpasskörper erheblich geringere Wärmeausdehnungen
aufweisen. Hier sind insbesondere Materialien mit den oben angegebenen
bevorzugten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vorteil. So
lassen sich insbesondere bei Temperaturschockwechseln Alterungseffekte der
inneren Keramikeigenschaften (zum Beispiel der Polarisation) vermeiden.
Auch Alterungseffekte der Elektroden der piezoelektrischen Wandlerelemente und/oder
der Haftung der piezoelektrischen Wandlerelemente selbst oder deren
Elektroden auf der Anpassschicht (bzw. einem zwischengelagerten
Klebstoff) lassen sich auf diese Weise erheblich reduzieren.
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Weiterhin
wird die Flexibilität hinsichtlich des Designs und/oder
der Auswahl der Materialien für den Anpasskörper
bzw. die Anpassschicht erheblich erhöht. Würde
beispielsweise zur Verminderung thermomechanischer Spannungen am Übergang
zwischen piezoelektrischem Wandlerelement und Anpassschicht ein
flexibler Klebstoff verwendet, so bestünde in der Regel
der Nachteil, dass derartige flexible Klebstoffe meist eine niedrige
Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Überschreitet
die Umgebungstemperatur bzw. Betriebstemperatur diese Glasübergangstemperatur,
so nimmt die Flexibilität der Klebstoffe stark zu, und
das E-Modul nimmt ab. In diesem Fall kann die Klebeschicht den Ultraschall nicht
mehr effektiv in die Anpassschicht einkoppeln. Dadurch sinkt die
obere Grenztemperatur des maximal nutzbaren Temperatureinsatzbereiches
des Ultraschallwandlers und/oder des Strömungsmesssystems.
Zudem nimmt mit der Flexibilität des Kunststoffs zumeist
auch der Wärmeausdehnungskoeffizient zu, so dass der Klebstoff
selbst die Verspannung zum Teil trotz der höheren Flexibilität
unter Umständen sogar erhöhen kann.
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Ein
Ziel besteht in der Regel darin, den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Kunststoffs, welcher an das piezoelektrische Wandlerelement
angrenzt (zum Beispiel einen Klebstoff bzw. die Anpassschicht) möglichst
so klein zu halten wie denjenigen der Piezokeramik selbst. Dies
kann generell nur mit härteren oder gefüllten
Kunststoffen realisiert werden, wobei als Füllung beispielsweise
Keramikpartikel oder Glas- bzw. Mineralfasern in Frage kommen. Derartige
härtere oder gefüllte Kunststoffe eignen sich
noch relativ gut zur Weiterleitung des Ultraschalls aus dem Piezo,
sind aber wegen ihrer hohen akustischen Impedanz für die
Einleitung in das fluide Medium, insbesondere in Luft, schlecht
geeignet. Die technische Möglichkeit, die Anpassschicht
aus einem entsprechend gefüllten Kunststoff mit der üblichen Durchmischung
von Füllstoff und Matrixmolekülen zu realisieren,
führt also insbesondere bei einem Luft-Ultraschallwandler
nicht zu dem gewünschten Ergebnis.
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Verwendet
man dagegen alleine einen Klebstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
an das piezoelektrische Wandlerelement angepasst ist, dann müsste
die Klebstoffdicke so gewählt werden, dass sich darin Verspannungen
abbauen können bzw. vom Piezoelement in die Klebung verlagert
werden. Die Verspannung zwischen Klebstoff und der sich stärker
ausdehnenden Anpassschicht bleibt dann jedoch immer noch bestehen,
so dass die Haftung des Klebstoffs auf der Anpassschicht problematisch
wird.
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Erfindungsgemäß beruht
hingegen die Haftung der Anpassschicht bzw. des Anpasskörpers
auf der Zwischenschicht bzw. dem piezoelektrischen Wandlerelement
bei erfindungsgemäßer Einbettung des Fasermaterials
(zum Beispiel dem Fasergeflecht) nicht mehr nur auf einer Adhäsion,
sondern auch auf einem Formschluss innerhalb der Zwischenräume
zwischen den Fasern. Die Verspannung geht somit nicht mehr primär
zu Lasten des piezoelektrischen Wandlerelement und der Adhäsion,
sondern wird hauptsächlich von den Fasern selbst abgefangen.
Die dabei entstehende Zunahme der akustischen Impedanz erfolgt dort,
wo sie am wenigsten stört, nämlich nahe am piezoelektrischen
Wandlerelement. Je nach Faserart und dem Volumenanteil innerhalb
eines Matrixmaterials, insbesondere innerhalb einer Kunststoffmatrix,
der Zwischenschicht, kann ein geeigneter Gradient sowohl bezüglich
der akustischen Impedanz als auch bezüglich des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines bekannten Strömungsmesssystems,
in welchem der erfindungsgemäße Ultraschallwandler
einsetzbar ist;
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2 ein
aus dem Stand der Technik bekannter Ultraschallwandler;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit einer separaten Zwischenschicht;
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4 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit in einer Anpassschicht integrierter Zwischenschicht;
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5 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit teilweise umlaufendem Fasergeflecht ohne
Anpasskörper;
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6 der
Ultraschallwandler gemäß 5 nach Anbringen
der Elektrodenkontakte und des Anpasskörpers; und
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7A bis 7D ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit einer durch Klammern fixierten Zwischenschicht.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Strömungsmesssystems 110 dargestellt,
in welchem erfindungsgemäße Ultraschallwandler 112 eingesetzt
werden können. Derartige Strömungsmesssysteme
lassen sich beispielsweise in der Verfahrenstechnik zur Messung
von Strömungsraten einsetzen, oder in der Kraftfahrzeugtechnik
zur Messung von Ansaug- und/oder Abgasluftmassen für eine
Brennkraftmaschine. Beispielsweise lässt sich mittels des
Strömungsmesssystems 110 auf folgende Größen
des Gases (oder allgemein des strömenden fluiden Mediums)
schließen: auf eine Strömungsgeschwindigkeit des
Mediums, auf einen Massenstrom und/oder (mittels Zusatzinformationen
wie beispielsweise einem Druck) auf eine Temperatur des Mediums.
Auch andere Ausführungsformen als die in 1 dargestellte
Form und andere Arten der Anwendung sind jedoch denkbar. Nicht dargestellt
ist in 1 eine in der Regel vorhandene Ansteuer- und Auswerteelektronik,
welche die Ultraschallwandler 112 ansteuert und empfangene
Signale entsprechend auswertet.
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Die
beiden Ultraschallwandler 112 sind in ein Strömungsrohr 114 eingebettet,
welches in einer Hauptströmungsrichtung 116 (oder
auch in Gegenrichtung) von einem fluiden Medium, beispielsweise einer
Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, mit einer Geschwindigkeit
v durchströmt wird. Bei Fluiden, die keine oder nur wenig
mitgeführte Partikel enthalten, besteht in der Regel nicht
die Möglichkeit, mit dem häufig verwendeten Dopplerverfahren
zu messen. Deshalb werden üblicherweise die Schalllaufzeiten,
Laufzeit-Differenzen oder Phasenunterschiede von Ultraschallsignalen
gemessen, die zwischen zwei Ultraschallwandlern 112 mit
einem Richtungsanteil in beziehungsweise entgegen der Hauptströmungsrichtung 116 hin
und her gesendet werden.
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Aus
der geometrischen Anordnung (Ultraschallweg der Länge L,
Verkippungswinkel α) und der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit
v ergeben sich die beiden Ultraschall-Laufzeiten zu:
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Die
Auflösung nach der Strömungsgeschwindigkeit v
ergibt: v = L(1/t1 – 1/t2)/2cosα
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Dabei
kann die Strömungsgeschwindigkeit in vielen Fällen
als Maß für die Volumenstromrate angesehen werden.
Diese Näherung gilt in erster Ordnung, d. h. bei gleich
bleibendem Geschwindigkeitsprofil über den Rohrquerschnitt
ergibt sich im Wesentlichen eine proportionale Relation zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Volumenstromrate, beziehungsweise lineare Kennlinie zwischen
diesen beiden Größen. Eine Multiplikation mit
der Dichte des fluiden Mediums (bei Gasen ~p/T) ergibt dann den Teilchenstrom
oder Massenstrom.
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Abweichend
von der in 1 dargestellten Geometrie sind
beispielsweise auch Messanordnungen bekannt, bei denen beide Ultraschallwandler 112 auf
derselben Rohrseite gegenüber einer Reflexionsfläche
angeordnet sind.
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In 2 ist
als Beispiel eine mögliche Realisierungsform eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt.
Neben dem Ultraschallwandler 112 ist schematisch der Wärmeausdehnungskoeffizient α (in 2 mit
der Bezugsziffer 210 bezeichnet), die im Betrieb üblicherweise
auftretenden thermomechanischen Spannungen σ (in 2 mit
der Bezugsziffer 212 bezeichnet) und die akustischen Impedanzen
Z der einzelnen Materialien (in 2 mit Bezugsziffer 214 bezeichnet)
jeweils als Funktion einer Koordinate parallel zur Längserstreckung
senkrecht zum Schichtaufbau des Ultraschallwandlers 112 dargestellt.
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Der
Ultraschallwandler 112 umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement 216 (hier
und im Folgenden auch kurz „Piezo" oder „Piezoelement"
genannt) und einen Anpasskörper 218, welcher in
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich eine
Anpassschicht 220 umfasst. Auch andere Schichtaufbauten
des Anpasskörpers 218 bzw. der Anpassschicht 220 (zum
Beispiel mehrschichtige Aufbauten) sind jedoch denkbar.
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Das
piezoelektrische Wandlerelement 216 weist bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel auf seinen Stirnflächen Elektroden 222 auf,
welche sich beispielsweise vollflächig oder nahezu vollflächig über
diese Stirnflächen erstrecken können. Und welche
durch Elektrodenkontakte 226, 228 und Elektrodenzuleitungen 230, 232 kontaktiert
werden können.
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Zwischen
die Anpassschicht 220 und das piezoelektrische Wandlerelement 216 ist
bei dem in 2 dargestellten, dem Stand der
Technik entsprechenden Ultraschallwandler 112 eine Klebeschicht 234 eingebracht.
Für Anwendungen bei nicht zu hohen Temperaturen kann dabei
beispielsweise entweder ein flexibilisierter Kunststoff verwendet
werden, der so ausgelegt ist, dass er selbst Verspannungen in gewissem
Maße ausgleichen kann, aber noch hart genug ist, um eine
ausreichende akustische Kopplung zu gewährleisten. Entsprechende
Klebstoffe haben aufgrund ihrer Flexibilität aber oftmals
eine nicht allzu hohe Glasübergangstemperatur (Tg), oberhalb derer
das Elastizitätsmodul so stark abnimmt, dass keine oder
nur eine geringfügige Kopplung mehr möglich ist.
Klebstoffe mit höherem Tg sind dagegen meist härter
und vorteilhaft für eine gute akustische Kopplung. Beispiele
derartiger Kunststoffe sind Epoxy-Klebstoffe.
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Für
einen derartigen typischen, harten Klebstoff, wie beispielsweise
ein Epoxydharz, ist in 2 schematisch der Verlauf 210 der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten α entlang der Wandlersymmetrieachse 236 (wobei
jedoch natürlich auch nicht-rotationssymmetrische Wandlergeometrien
einsetzbar sind) dargestellt, wobei die Koordinate entlang dieser
Symmetrieachse 236 mit x bezeichnet ist.
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Es
ist erkennbar, dass aufgrund des Sprunges im thermischen Ausdehnungskoeffizienten α am Übergang
zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 216 und Anpassschicht 220 eine
Fehlanpassung (englisch Mismatch) entsteht, welche insbesondere
bei Temperaturschockwechseln zu hohen mechanischen Spannungen in
der Keramik führt. Diese Spannungen sind in 2 mit σ bezeichnet
(Kurve 212) und weisen ein starkes Maximum im Bereich der Klebeschicht 234 am Übergang
zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 216 und Anpassschicht 220 auf.
Durch diese Spannungen kann der Piezo 216 alter (wobei
die Polarisation abnimmt) und wobei unter Umständen sogar
die Klebeschicht 234 aufweisen kann oder sich Risse im
Material der Anpassschicht 220 und/oder des piezoelektri schen
Wandlers 216 bilden können. Der akustische Impedanzverlauf
Z (Kurve 214) hingegen wird in der Regel durch die Verwendung
des harten Klebstoffes für die Klebeschicht 234 nicht
gestört, sondern nimmt vorteilhaft vom Piezo 216 hin
zum umgebenden fluiden Medium (insbesondere Luft, unterhalb der
Anpassschicht 220 in 2) ab.
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In 3 ist
demgegenüber ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers 112 schematisch in analoger Darstellung
zu 2 abgebildet. Im Unterschied zu dem dem Stand der
Technik entsprechenden Ultraschallwandler 112 gemäß 2 weist
der Ultraschallwandler 112 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 eine Zwischenschicht 310 auf,
welche zwischen der Anpassschicht 220 und dem piezoelektrischen
Wandlerelement 216 eingebettet ist. Diese Zwischenschicht 310 umfasst
neben einem Fasermaterial 312 ein Matrixmaterial 314,
in welches das (in dieser Darstellung beispielhaft als gewobene
Fasermatte dargestellte) Fasermaterial 312 eingebettet
ist. Zur Herstellung des in 3 dargestellten
Ultraschallwandlers 112 bietet sich beispielsweise ein
Verfahren an, bei welchem zunächst die Anpassschicht 220 in
im Wesentlichen zylindrischer Form gefertigt wird. Auch andere Formen
sind jedoch denkbar. Die Anpassschicht 220 kann beispielsweise
eine Dicke von ca. λ/4 bezüglich der gewünschten
Ultraschallwellenlänge aufweisen und entsprechend vorgefertigt
werden. Die tatsächlich zu wählende optimale Dicke
bezüglich des Wandlerwirkungsgrades, der Signalform und
der Bandbreite ergibt sich in der Regel je nach Werkstoffeigenschaften
und kann beispielsweise durch FEM-Simulationen (FEM: finite Elementemethode) und/oder
durch experimentelle Iteration ermittelt werden. Spezielle Geometrien
zur Feinoptimierung des Schwingungsverhaltens und der Abstrahlung
bzw. hinsichtlich Aufbau-, Fertigungs- und Handlingsgesichtspunkten
können weitere Abweichungen von der zylindrischen Form
mit sich bringen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird das Matrixmaterial 314 auf
die Anpassschicht 220 und/oder den Piezo 216 aufgebracht.
Beispielsweise kann es sich, wie oben ausgeführt, bei diesem
Matrixmaterial 314 um einen Klebstoff handeln, welcher aushärtbar
ist (zum Beispiel chemisch, thermisch, durch UV-Bestrahlung oder
durch ähnliche Methoden oder eine Kombination dieser Methoden).
Dieses Aufbringen kann beispielsweise durch ein Dispensieren, durch
ein Stempeln, Rakeln oder ähnliche Techniken erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Matrixmaterial 314 auch
in oder auf das Fasermaterial 312 auf- bzw. eingebracht
werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Fasermaterial 312 um
ein Glasfasergeflecht handeln.
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Das
Fasermaterial 312 wird dann zwischen dem Piezo 216 und
der Anpassschicht 220 platziert, und der so erzeugte Gesamtverbund
wird zusammengedrückt. Anschließend erfolgt ein
Aushärten, beispielsweise, wie oben beschrieben, durch
thermische oder chemische Behandlung und/oder durch Bestrahlen mit
UV-Licht.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der in 3 dargestellte
Ultraschallwandler 112 auch auf andere Weise als durch
das beschriebene Verfahren hergestellt werden kann. Bei dem beschriebenen
Verfahren können, neben den dargestellten Verfahrensschritten,
auch zusätzliche Schritte durchgeführt werden,
die nicht aufgeführt sind. Zudem kann die zeitliche Reihenfolge
gegenüber der aufgeführten Reihenfolge variieren,
und es können einzelne Verfahrensschritte zeitlich parallel
und/oder wiederholt durchgeführt werden.
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Wiederum
sind in 3 auch schematisch der thermische
Ausdehnungskoeffizient α (Kurve 210), die thermischen
Spannungen σ (Kurve 212) und die Impedanz Z (Kurve 214)
symbolisch aufgetragen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α der
Klebstoff/Faser-Kombination nimmt durch die Fasern stark ab und
nähert sich der Keramik bzw. der Elektrodenschicht 224 des
piezoelektrischen Wandlers 216 (die Elektrodenschicht umfasst üblicherweise
eine Silber-Dickschichtelektrode, kann jedoch auch andere Elektrodenmaterialien
umfassen) an. Dadurch nimmt die mechanische Verspannung insgesamt
ab und verlagert sich gleichzeitig von der Piezokeramik in die Verbindungsstellen
zwischen Klebstoff 314 und Fasern 312. Da an dieser
Stelle, in welcher nun hohe Spannungen auftreten, jedoch nicht mehr
nur eine flächige Verbindung vorherrscht (Kraftschluss),
sondern innerhalb der Maschen ein Formschluss besteht, wirkt sich
zudem die Spannung weniger stark auf die Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen
Piezo 216 und Anpassschicht 220 aus. Da die akustische
Impedanz Z der Klebstoff/Faser-Kombination immer noch zwischen den
Werten von den Piezo 216 und die Anpassschicht 220 liegt,
ist auch die akustische Kopplung weiterhin gut, solange das Fasergeflecht 312 nicht
zu dick gewählt wird, was dann wiederum eine Dämpfung
des Ultraschalls bewirken würde. Andererseits kann über
eine ausreichend dicke Faserstruktur die Festigkeit erhöht
werden, wobei sich gleichzeitig der Bereich vergrößert, über
welchen sich die Spannungen verteilen können.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers 112 dargestellt. Im Unterschied zu
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
bei dem in 4 gezeigten Beispiel keine separate
Schicht als Matrixmaterial 314 für die Zwischenschicht 310 verwendet, sondern
eine Grenzschicht der Anpassschicht 220. Zu diesem Zweck
wird das Fasermaterial 312, wobei es sich beispielsweise
wiederum ein Fasergeflecht, insbesondere ein Glasfasergeflecht,
handeln kann, in eine noch nicht oder noch nicht vollständig
ausgehärtete Schicht der Anpassschicht 220 eingebettet,
beispielsweise eingepresst.
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Als
Herstellungsverfahren für diese Ausführungsform
der Erfindung bietet sich beispielsweise ein Verfahren an, bei welchem
zunächst eine (in den Figuren nicht dargestellte) Gießform
mit einem noch nicht vernetzten Grundwerkstoff für die
Anpassschicht 220 gefüllt wird. Anschließend
wird ein bereits elektrisch kontaktierter Piezo 216 mit
einem einseitig anliegenden Fasergeflecht 312, welches
zuvor mit dem in dem Anpassschichtmaterial enthaltenen Material
(zum Beispiel einem Klarharz) getränkt wurde, leicht in
das in der Gießform befindliche Anpassschicht-Material
eingebettet. Dieser Aufbau wird anschließend (beispielsweise
wiederum thermisch, photochemisch oder chemisch) ausgehärtet,
um den in 4 dargestellten Aufbau zu erhalten.
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In
den 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, welches auch mit den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
kombiniert werden kann, welches jedoch im Wesentlichen eine Abwandlung
des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels
zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Piezo 216 ganz
oder teilweise vom Fasergeflecht 312 umschlossen. Dies
hat den Vorteil, dass das Fasergeflecht 312 selbst während
der Einbettung in die Anpassschicht 220 auch als Fixierung
verwendet werden kann. Dies ist in 5 symbolisch
durch die Pfeile 510 dargestellt, welche die auf den Piezo 216 bzw. das
Fasergeflecht 312 wirkenden Kräfte zeigen.
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Dabei
können beide Elektroden 222, 224 bereits,
wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, durch
entsprechende Elektrodenkontakte 226, 228 und
Elektrodenzuleitungen 230, 232 kontaktiert sein. Alternativ
kann, was in 6 dargestellt ist, auch das Fasergeflecht 312 selbst
zur Kontaktierung genutzt werden, insbesondere um die untere Elektro de 224 elektrisch
zu kontaktieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein selbstleitfähiges
oder mit einer leitfähigen Beschichtung/Füllung
versehenes Fasergeflecht, welches zum Beispiel zusätzlich
noch mit Leitkleber getränkt werden kann, eingesetzt werden und
zur Anpassschicht-seitigen Kontaktierung der Elektrode 224 dienen.
Die übrigen Verfahrensschritte, also insbesondere das Einbetten
in die noch nicht ausgehärtete Anpassschicht 220,
erfolgen analog zur obigen Beschreibung. Alternativ kann dieses
Verfahren jedoch auch auf einen Aufbau gemäß 3 angewandt
werden.
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Nach
oder vor dem Aushärten der Anpassschicht 220 können
dann weitere Schichten/Komponenten des Anpasskörpers 218 eingebracht
werden, wie dies in 6 dargestellt ist. Beispielsweise
kann es sich dabei wieder um eine Vergussmasse handeln, welche zum
Beispiel die Anbringung der Elektrodenzuleitung 230 mechanisch
stabilisiert.
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Die
in den 5 und 6 dargstellte Variante vereinfacht
das Handling bei einer Produktion der Ultraschallwandler 112 erheblich.
Insbesondere bei einer Verwendung größerer und
schwererer Piezos 216 bietet die dargestellte Variante,
bei welcher der Piezo 216 ganz oder teilweise über
das Fasergeflecht 312 gehalten werden kann, Vorteile, da
in diesen Fällen in der Regel einfache Sauggreifer, wie
sie üblicherweise für die Produktion verwendet
werden, die schweren und großen Piezos 216 nur
schlecht haltern können.
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In
den 7A bis 7B sind
weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers 112 dargestellt, welche auf der Idee einer
Fixierung des Piezos 216 und des Fasergeflechts 212 durch
Klammern 710 basieren. Dabei ist jeweils aus Gründen
der Anschaulichkeit in diesen Darstellungen auf die Anpassschicht 220,
welche sich zum Beispiel bei der Ausführung in 7A auf der
Unterseite des Fasergeflechts 312 anschließen würde,
verzichtet bzw. es sind Zwischenprodukte dargestellt, welche anschließend
noch (zum Beispiel analog zu dem Ausführungsbeispiel in 3 oder dem
Ausführungsbeispiel in 4) mit einer
derartigen Anpassschicht 220 verbunden werden müssen bzw.
in einen Anpasskörper 218 eingebettet werden müssen.
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So
zeigen die 7A und 7B eine Schnittdarstellung
(7A) bzw. eine ausschnittsweiseperspektivische
Darstellung (7B) einer ersten derartigen
Variante, bei welcher der Piezo 216 über eine
Klammer 710 kontaktiert wird. Diese Klammer 710 ist
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Stanz-Biegeteil
ausgestaltet, wobei jedoch auch andere Ausführungsformen
möglich sind.
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Die
Klammern 710 dienen dabei also im vorliegenden Beispiel
sowohl der Fixierung des Fasergeflechts 312 als auch der
elektrischen Kontaktierung. Es ist jedoch auch denkbar, lediglich
eine Fixierung des Fasergeflechts 312 zu bewirken und/oder lediglich
eine elektrische Kontaktierung des Piezos 216.
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Bei
dem in den 7A und 7B dargestellten
Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 222 bzw. 224 dabei
jeweils Aussparungen 712 auf, wie beispielsweise aus der
perspektivischen Darstellung in 7B zu
erkennen ist. Dabei sind mehrere Klammern 710 vorgesehen,
wobei jeweils mindestens eine Klammer die obere Elektrode 222 und
mindestens eine weitere Klammer 710 die untere Elektrode 224 kontaktiert.
So ist beispielsweise in der Darstellung gemäß 7A die
linke der beiden Klammern 710 zur Kontaktierung der oberen
Elektrode 222 vorgesehen, so dass die untere Elektrode 224 im
Bereich des unteren Arms dieser linken Klammer 710 eine
Aussparung 712 aufweist. Analog ist die rechts der dargestellten
Klammern 710 für die Kontaktierung der unteren
Elektrode 224 vorgesehen, so dass die obere Elektrode 222 im
Bereich des oberen Arms dieser rechten Klammer 710 eine
entsprechende Aussparung 712 aufweist (siehe hierzu auch 7B).
Auch andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar, welche
einen Kurzschluss der beiden Elektroden 222, 224 durch
die Klammern 710 verhindern, beispielsweise entsprechende
Ausgestaltungen der Geometrie der Fasern 312. Bei dem in 7A und 7B dargestellten
Ausführungsbeispiel weisen die Klammern 710 einen
nach oben herausragenden Anschlusskontakt 714 auf, durch
welchen leicht eine Kontaktierung möglich ist, beispielsweise
durch Anklemmen und/oder Anlöten entsprechender Elektrodenzuleitungen
(in den 7A und 7B nicht
dargestellt).
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In
den 7C und 7D ist
eine Abwandlung des in den 7A und 7B dargestellten Ausführungsbeispiels
gezeigt, welches wiederum die Idee der Verwendung von Klammern 710 realisiert. Dabei
zeigt 7C eine Draufsicht von oben
auf den Ultraschallwandler 112, so dass die obere Elektrode 222 sichtbar
ist. Entsprechend zeigt 7D eine Draufsicht
von unten auf den Ultraschallwandler 112 (wiederum ist
die Anpass schicht 220 noch nicht angefügt), so
dass die untere Elektrode 224 und das darüber
liegende Fasergeflecht 312 erkennbar sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel sind drei Klammern 710 vorgesehen.
Davon werden zwei Klammern (in 7C die
Klammern in 11 Uhr-Position und in 7 Uhr-Position) zur Kontaktierung
der oberen Elektrode 222 und gleichzeitig zum Anklemmen des
Fasergeflechts 312 eingesetzt. Die dritte Klammer 710 (in 7C auf
3 Uhr-Position) wird hingegen ausschließlich zum Kontaktieren
der unteren Elektrode 224 verwendet. Dementsprechend weist
wiederum die obere Elektrode 222 eine Aussparung 712 auf,
so dass die in 7C in 3 Uhr-Position befindliche 710 diese
Elektrode 222 nicht kontaktiert. Das Fasergeflecht 312 hingegen,
welches in diesem Ausführungsbeispiel näherungsweise
eine runde Gestalt hat, weist ebenfalls eine Aussparung 316 auf,
die es der dritten Klammer (in 7C in
3 Uhr-Position) ermöglicht, die untere Elektrode 224 zu
kontaktieren.
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Die
zuvor beschriebenen Klammern 710 können zusätzlich
mit Klebstoff und/oder Leitkleber am Fasergeflecht 312 und/oder
an den Elektroden 222 bzw. 224 fixiert werden
bzw. diese kontaktieren.
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In
dem in den 7A bis 7D verwendeten
Ausführungsbeispiel können, wie auch in den vorangehenden
Ausführungsbeispielen, als mögliche Faserwerkstoffe
des Fasermaterials 312 organische Materialien, wie zum
Beispiel Kohlefaser (ein Material mit negativem Ausdehnungskoeffizient α,
welches überdies in der Regel leitfähige Eigenschaften
aufweist), Borfasern, Metalle, anorganische Materialien wie zum
Beispiel Glasfasern und/oder Keramikfasern (polykristallin oder
amorph) oder andere Faserwerkstoffe eingesetzt werden. Diese Fasern
können zusätzlich silanisiert werden, um die Haftung
zum Matrixmaterial 314 (insbesondere dem Klebstoff) und/oder
zur Anpassschicht 220 zu verbessern.
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Wiederum
kann, wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen,
auch bei den Ausführungsbeispielen in den 7A bis 7D der
Ultraschallwandler 112 so gefertigt werden, dass die Fasern
des Fasermaterials 312 in einem separaten Matrixmaterial 314 (zum
Beispiel einem Klebstoff und/oder einem Leitkleber) zu liegen kommen
oder in einem Werkstoff der Anpassschicht 220, beispielsweise
einem Klarharzanteil dieses Anpassschichtwerkstoffes.
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Statt
eines, wie in den 7A bis 7D dargestellten
Fasergeflechts als Fasermaterial 312 oder einer anderen
vorgefertigten Struktur, kann, in diesem wie auch in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen, auch ein Kunststoff, ein Klebstoff und/oder
ein Polymerwerkstoff eher ungeordnet mit Fasern gefüllt
werden, dieser Verbundwerkstoff dann auf den Piezo 216 aufgetragen
werden, wonach wiederum der Anpassschichtkörper 220 aufgedrückt wird
oder aber dessen Grundwerkstoff im noch nicht oder nicht vollständig
vernetzten Zustand „nass-in-nass" mit dem Wandler und dem
Faserverbund in Kontakt gebracht wird und das Gesamtteil anschließend
gemeinsam ausgehärtet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004060064
A1 [0001]