(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体媒体に使用するための超音波変換器（１１０）において、該超音波変換器（１１０）が、少なくとも１つの圧電性の変換器素子（１１２）と、該圧電性の変換器素子（１１２）と前記流体媒体との間の振動結合を助成するための少なくとも１つの整合体（１１６）と、さらに、圧電性の変換器素子（１１２）と整合体（１１６）との間に挿入された、熱的な応力を減少させるための少なくとも１つの補償体（１１８）とを有しており、該補償体（１１８）が、圧電性の変換器素子（１１２）の熱膨張率（ＣＴＥＰｉｅｚｏ）と整合体（１１６）の熱膨張率（ＣＴＥＡｎｐａｓｓ）との間に位置する熱膨張率（ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎ）を有しており、補償体（１１８）が、少なくとも一種類の均質なかつ／または巨視的に少なくとも十分に等方性の材料を含有しており、前記材料が、材料混合物であり、補償体（１１８）が、前記材料混合物を含有しており、該材料混合物が、少なくとも一種類の母材と少なくとも一種類の充填材とを含有していることを特徴とする、流体媒体に使用するための超音波変換器。
【請求項２】
補償体（１１８）が、中間層である、請求項１記載の超音波変換器。
【請求項３】
補償体（１１８）の熱膨張率（ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎ）と圧電性の変換器素子（１１２）の熱膨張率（ＣＴＥＰｉｅｚｏ）との間の差が、整合体（１１６）の熱膨張率（ＣＴＥＡｎｐａｓｓ）と補償体（１１８）の熱膨張率（ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎ）との間の差よりも小さく設定されている、請求項１または２記載の超音波変換器。
【請求項４】
補償体（１１８）が、２０ｐｐｍ／Ｋよりも小さい熱膨張率（ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎ）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項５】
補償体（１１８）が、１５ｐｐｍ／Ｋよりも小さい熱膨張率（ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎ）を有している、請求項４記載の超音波変換器。
【請求項６】
整合体（１１６）が、２０ｐｐｍ／Ｋよりも大きい熱膨張率（ＣＴＥＡｎｐａｓｓ）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項７】
補償体（１１８）が、少なくとも０．５ｍｍの層厚さを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項８】
補償体（１１８）が、少なくとも１．０ｍｍの層厚さを有している、請求項７記載の超音波変換器。
【請求項９】
補償体（１１８）が、少なくとも１．５ｍｍの層厚さを有している、請求項７または８記載の超音波変換器。
【請求項１０】
前記母材が、架橋プロセスによって硬化可能なかつ／または硬化させられる少なくとも一種類の材料を含有している、請求項１記載の超音波変換器。
【請求項１１】
前記材料が、エポキシ樹脂である、請求項１０記載の超音波変換器。
【請求項１２】
前記充填材が、以下の材料：すなわち、石英；セラミック材料；シリケート；繊維材料：の少なくとも１つを含有している、請求項１記載の超音波変換器。
【請求項１３】
前記石英が、石英粉である、請求項１２記載の超音波変換器。
【請求項１４】
前記繊維材料が、炭素繊維材料である、請求項１２記載の超音波変換器。
【請求項１５】
超音波変換器（１１０）が、さらに、圧電性の変換器素子（１１２）と整合体（１１６）および／または補償体（１１８）との間の相対的な位置を決めるための少なくとも１つの位置決めエレメント（１３８）を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項１６】
補償体（１１８）が、少なくとも１つの成形部材を有しており、該成形部材が、圧電性の変換器素子（１１２）および／または整合体（１１６）に結合されるようになっている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項１７】
前記成形部材が、ディスクである、請求項１６記載の超音波変換器。
【請求項１８】
前記成形部材が、圧電性の変換器素子（１１２）および／または整合体（１１６）に、材料接続的な結合を介して結合されるようになっている、請求項１６記載の超音波変換器。
【請求項１９】
前記成形部材が、圧電性の変換器素子（１１２）および／または整合体（１１６）に、圧電性の変換器素子（１１２）の熱膨張率（ＣＴＥＰｉｅｚｏ）と整合体（１１６）の熱膨張率（ＣＴＥＡｎｐａｓｓ）との間に位置する熱膨張率（ＣＴＥＫｌｅｂ）を有する接着剤を用いた接着によって結合されるようになっている、請求項１８記載の超音波変換器。
【請求項２０】
前記接着剤が、補償体（１１８）の材料と少なくとも部分的に同一である、請求項１９記載の超音波変換器。
【請求項２１】
前記成形部材が、プラスチック材料の成形部材および／またはガラスの成形部材および／またはセラミックスの成形部材を有している、請求項１６から２０までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項２２】
前記成形部材が、エポキシ樹脂ディスクである、請求項２１記載の超音波変換器。
【請求項２３】
整合体（１１６）が、補償体（１１８）を製造するための注型法の型として、補償体（１１８）を少なくとも部分的に取り囲んでいる、請求項１から２２までのいずれか１項記載の超音波変換器。
【請求項２４】
請求項１から２３までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）を製造するための方法において、補償体（１１８）を全体的にまたは部分的に注型法によって形成することを特徴とする、超音波変換器を製造するための方法。
【請求項２５】
前記注型法が、射出成形法および／またはトランスファ成形法および／または消失型を用いた直接注型法および／または消失型を用いた注型法である、請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体媒体に使用するための超音波変換器に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、流体媒体に使用するための超音波変換器を製造するための方法に関する。
【０００３】
背景技術
本発明は、公知の超音波変換器から出発する。この公知の超音波変換器は、たとえばプロセスエンジニアリングまたは自動車分野、特に内燃機関の吸気ポートおよび／または排気ポートにおける超音波流量計において、体積流量測定または質量流量測定のために使用することができる。典型的には、超音波を流体媒体（ガスおよび／または液体）に発することができるだけでなく、超音波を受信することもできる超音波変換器が使用される。通常、超音波信号はエミッタから、流動する流体媒体を通って受信器に伝送され、超音波信号の伝搬時間、伝搬時間差または位相またはこれらの測定量を組み合わせたものが測定される。超音波信号には、流体媒体の流れによって影響が与えられる。伝搬時間に与えられる影響の程度から、流体媒体の流速を推測することができる。たとえば超音波流量計に使用することができるこのような形式の超音波変換器の一例が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に開示されている。同明細書に開示された構成は、本発明の範囲内で本発明により変更することもできる。このような形式の超音波変換器によって、たとえば内燃機関のシステム制御装置の内部で空気量信号を導き出すことができる。
【０００４】
従来の超音波変換器では、一般的に圧電性の変換器素子が使用される。しかし、この圧電性の変換器素子は、周辺の流体媒体に対する、たとえばファクタ６×１０５の高い音響インピーダンス差を有している。この高いインピーダンス差に基づき、一般的には、音響エネルギの９９．９９９５％が、圧電性の変換器素子から流体媒体への途中で相応の境界面において反射され、測定に対して使用不能となる。同一の反射損失は、第１の変換器素子と同一であってもよい受信側の第２の圧電性の変換器素子でも発生する。圧電性の変換器素子と流体媒体との間の音響結合を改善するためには、通常、インピーダンス整合のための手段が使用される。たとえば、公知先行技術、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に基づき、圧電性の変換器素子と流体媒体との間にインピーダンス整合のための１つまたはそれ以上の整合体、特に整合層が挿入されている超音波変換器が公知である。整合体は、圧電性の変換器素子の音響インピーダンスと流体媒体の音響インピーダンスとの間に位置する音響インピーダンスを有している。したがって、インピーダンス整合のためには、たとえば、たいてい薄膜の圧電素子が接着されたダイヤフラムまたはλ／４層を設けることができる。
【０００５】
特別な技術的な課題は、公知の超音波変換器の場合、整合体と圧電性の変換器素子との間の結合部にある。特に結合領域には、熱衝撃変化時に損傷が生じることがある。この損傷は、それぞれ異なる熱膨張率に起因している。熱膨張率はしばしばＣＴＥ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）と呼ばれ、温度変化あたりの相対的な長さ変化をｐｐｍ／Ｋもしくは１０−６／Ｋで記載する。たとえば、多くの整合体の熱膨張率は、典型的には、３０ｐｐｍ／Ｋを上回っている。これに対して、さらに、大部分のプラスチックおよび接着剤はより高い熱膨張率を有している。これと異なり、典型的な圧電セラミックスは７ｐｐｍ／Ｋの間の範囲内にある。しかし、同時に圧電セラミックスは、一般的には、微小亀裂形成または減極によって機械的な歪み、特に引張応力および／または剪断応力に極端に敏感に反応する。このような応力は、特に迅速な熱衝撃変化（ＴＳＷ）の際のより緩速な応力緩和に基づき生じる。圧電セラミックスのこのような機械的な時効は、通常、場合により付与される純粋に熱的なまたは純粋に電気的な負荷によってさらに著しく増幅される。
【０００６】
圧電性の変換器素子を熱衝撃変化時に防護するためには、たとえば柔軟化された接着剤を使用することができる。このような柔軟化された接着剤、すなわち、自体十分にフレキシブルであるかまたは相応の添加剤および／または充填剤の混入によって十分にフレキシブルである接着剤は、整合体と圧電セラミックスとの互いに異なる膨張による上述した応力を補償することができる。こうして、超音波変換器の十分な熱衝撃変化安定性を保証することができる。しかし、このような柔軟化された接着剤は、通常、より高い温度の場合、圧電性の変換器素子と整合体との間にもはや十分な音響結合を形成することができないほどフレキシブルになってしまう。これに対して、フレキシブルでない接着剤によって、確かに、超音波変換器の温度使用範囲がより大きくなるものの、超音波変換器が逆に熱衝撃変化に対して一層敏感になってしまう。すなわち、整合体と圧電性の変換器素子との間の結合には、広域の温度範囲にわたる良好な音響結合と、熱衝撃変化に対する高い安定性との間に目的矛盾が存在する。
【０００７】
発明の開示
本発明に係る超音波変換器によれば、該超音波変換器が、少なくとも圧電性の変換器素子と、該圧電性の変換器素子と前記流体媒体との間の振動結合を助成するための少なくとも１つの整合体と、さらに、圧電性の変換器素子と整合体との間に挿入された、熱的な応力を減少させるための少なくとも１つの補償体、特に少なくとも１つの中間層とを有しており、該補償体が、圧電性の変換器素子の熱膨張率と整合体の熱膨張率との間に位置する熱膨張率を有しており、補償体が、少なくとも一種類の均質なかつ／または巨視的に少なくとも十分に等方性の材料、特に材料混合物を含有している。
【０００８】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、補償体の熱膨張率と圧電性の変換器素子の熱膨張率との間の差が、整合体の熱膨張率と補償体の熱膨張率との間の差よりも小さく設定されている。
【０００９】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、補償体が、２０ｐｐｍ／Ｋよりも小さい熱膨張率、有利には１５ｐｐｍ／Ｋよりも小さい熱膨張率を有している。
【００１０】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、整合体が、２０ｐｐｍ／Ｋよりも大きい熱膨張率を有している。
【００１１】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、補償体が、少なくとも０．５ｍｍの層厚さ、有利には少なくとも１．０ｍｍの層厚さ、特に有利には少なくとも１．５ｍｍの層厚さを有している。
【００１２】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、補償体が、前記材料混合物を含有しており、該材料混合物が、少なくとも一種類の母材と少なくとも一種類の充填材とを含有している。
【００１３】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、前記母材が、架橋プロセスによって硬化可能なかつ／または硬化させられる少なくとも一種類の材料、特にエポキシ樹脂を含有している。
【００１４】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、前記充填材が、以下の材料：すなわち、石英、特に石英粉；セラミック材料；シリケート；繊維材料、特に炭素繊維材料：の少なくとも１つを含有している。
【００１５】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、超音波変換器が、さらに、圧電性の変換器素子と整合体および／または補償体との間の相対的な位置を決めるための少なくとも１つの位置決めエレメントを有している。
【００１６】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、補償体が、少なくとも１つの成形部材、特にディスクを有しており、該成形部材が、圧電性の変換器素子および／または整合体に結合されるようになっていて、特に材料接続的な結合を介して結合されるようになっていて、特に圧電性の変換器素子の熱膨張率と整合体の熱膨張率との間に位置する熱膨張率を有する接着剤、有利には補償体の材料と少なくとも部分的に同一である接着剤を用いた接着によって結合されるようになっている。
【００１７】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、前記成形部材が、プラスチック材料の成形部材、特にエポキシ樹脂ディスク、および／またはガラスの成形部材および／またはセラミックスの成形部材を有している。
【００１８】
本発明に係る超音波変換器の有利な態様によれば、整合体が、特に補償体を製造するための注型法の型として、補償体を少なくとも部分的に取り囲んでいる。
【００１９】
本発明に係る超音波変換器を製造するための方法によれば、補償体を全体的にまたは部分的に注型法、特に射出成形法および／またはトランスファ成形法および／または消失型を用いた直接注型法および／または消失型を用いた注型法によって形成する。
【００２０】
上述した問題を解決するためには、流体媒体に使用するための超音波変換器が提案される。超音波変換器とは、一般的には、電気的な信号を超音波信号に変換しかつ／または逆に超音波信号を電気的な信号に変換することができるエレメントを意味している。特に提案された超音波変換器は、上述したように、流体媒体、特にガス、特に空気の速度、質量流量、体積流量、通流率または別の流れ機械的な量を測定するために、特に自動車分野における超音波流量計に使用することができる。しかし、別の使用分野も基本的には可能である。
【００２１】
提案された超音波変換器は、少なくとも１つの圧電性の変換器素子と、この圧電性の変換器素子と流体媒体との間の振動結合を助成するための少なくとも１つの整合体、特に少なくとも１つの整合層とを有している。圧電性の変換器素子の概念は幅広く解釈することができ、たとえば電気音響的な変換器を含んでいる。この電気音響的な変換器は、強誘電効果、静電効果、磁歪効果、電磁効果またはこれらの効果を組み合わせたものにより作業することができる。整合体は、上述したように、超音波変換器と流体媒体との間の結合を改善するために働く。すなわち、したがって、整合体が、圧電性の変換器素子、たとえば圧電セラミックスのインピーダンスと、流体媒体、特に空気のインピーダンスとの間に位置するインピーダンスを有する少なくとも一種類の材料を有していることが望ましい。少なくとも１つの整合体、たとえば少なくとも１つの整合層と、この整合体、たとえば整合層の別の態様とに用いられる材料の選択については、たとえば上述したドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書および上述した材料から認めることができる。
【００２２】
上述した目的矛盾を解決するためには、圧電性の変換器素子と整合体との間に、熱的な応力を減少させるための少なくとも１つの補償体を挿入することが提案される。この補償体もまた、たとえば少なくとも１つの中間層の形で形成されていてよく、かつ／またはこのような形式の中間層を有していてよい。本発明では、補償体の熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎが、圧電性の変換器素子の熱膨張率ＣＴＥＰｉｅｚｏと整合体の熱膨張率ＣＴＥＡｎｐａｓｓとの間に位置するように、補償体を形成することが提案される。この補償体は、基本的には、それぞれ異なる熱膨張率を有する複数のエレメント（たとえば層）を有していてもよい。補償体にわたる熱膨張率の、たとえば勾配の形の連続的なまたは不連続の変化もまた可能である。複数の熱膨張率が補償体に付与されている場合には、前述した条件が、補償体の熱膨張率の少なくとも１つ、有利には全てに当てはまるようになっている。択一的または付加的には、前述した条件が、たとえば熱膨張率の平均値および／または補償体の最大のかつ／または最小の熱膨張率に当てはまってもよい。有利には、熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎは、整合体の熱膨張率ＣＴＥＡｎｐａｓｓよりも圧電性の変換器素子の熱膨張率の近く、特に著しく近くに位置している。言い換えると、有利には、補償体の熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎと圧電性の変換器素子の熱膨張率ＣＴＥＰｉｅｚｏとの間の差が、整合体の熱膨張率ＣＴＥＡｎｐａｓｓと補償体の熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎとの間の差よりも小さい、すなわち、量的に小さいことが提案される。
【００２３】
本発明では、補償体が、少なくとも一種類の均質なかつ／または巨視的に少なくとも十分に等方性の材料、特に材料混合物を含有しているように形成されている。「含有している」とは、このような材料のほかに別の物質も含まれている場合だけでなく、補償体が完全にこのような材料から成っている場合も包括している。「均質なまたは巨視的に少なくとも十分に等方性の材料」とは、たとえば巨視的に配向された材料、たとえば繊維材料と異なる材料を意味している。少なくとも一次元、有利には二次元または三次元でさえ、少なくとも２００μｍを上回る尺度、特に１００μｍを上回る尺度、有利にはより小さな尺度、たとえば５０μｍを下回る尺度において、認識可能な非均質性および／または異方性、たとえば配向は主として存在していない。静的に生じる望ましくない個々の非均質性、たとえば巣および／または不純物が考慮されることはない。
【００２４】
従来の圧電セラミックスは、典型的に１０ｐｐｍ／Ｋよりも小さな、たとえば７ｐｐｍ／Ｋの範囲内の熱膨張率を有しているので、補償体の熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎが２０ｐｐｍ／Ｋよりも小さな範囲内、有利には１５ｐｐｍ／Ｋよりも小さな範囲内で選択されると特に有利である。整合体は、たとえば２０ｐｐｍ／Ｋよりも大きな、特に３０ｐｐｍ／Ｋよりも大きな熱膨張率を有していてよい。整合体と圧電性の変換器素子との間への補償体の組込みによって、整合体に対して使用可能な材料に関しても、より高い自由度が確保される。
【００２５】
さらに、たとえば繊維材料と異なり、補償体は、通常使用される層よりも高い層厚さを有していてもよい。したがって、補償体は、たとえば少なくとも０．５ｍｍに設定された層厚さ、すなわち、圧電性の変換器素子と整合体との間の結合軸線における寸法を有することができる。たとえば８ｍｍの直径と２ｍｍの高さとを備えた、特に円筒状の圧電素子の使用時には、たとえば少なくとも１．０ｍｍ、特に有利には少なくとも１．５ｍｍ以上のより高い層厚さが有利である。
【００２６】
補償体は、特に材料混合物を含有していてよい。材料混合物とは、互いに化合されない少なくとも二種類の成分を含有した材料を意味している。材料混合物は、特に少なくとも一種類の母材と少なくとも一種類の充填材とを含有していてよい。母材は、たとえば架橋プロセスによって硬化可能なかつ／または硬化させられる材料、特にエポキシ樹脂を含有していてよい。架橋プロセスは、たとえば化学的にかつ／または熱的にかつ／または光化学的に実施されてよい。熱的な架橋プロセスが有利である。エポキシ樹脂に対して択一的または付加的には、異なる種類の架橋可能な材料が使用されてもよい。しかし、エポキシ樹脂がその小さな熱膨張率に基づき有利である。このようなエポキシ樹脂は、たとえばマイクロエレクトロニクス、プリント配線板製造、チップパッケージの製造またはこれに類するものにおいて使用される。エポキシ樹脂は所要のフレキシビリティも有することができ、これによって、圧電性の変換器素子と整合体との間の上述した応力の補償が保証される。
【００２７】
充填材は、熱膨張率をさらに低下させるために働くことができる。たとえば、材料混合物、たとえば石英、特に石英粉および／またはシリケートおよび／またはセラミック材料および／または繊維材料、たとえば炭素繊維材料の熱膨張率を低下させる従来の充填材が使用されてよい。たとえば、７０〜９５質量％、特に８０〜９０質量％、たとえば８３質量％の充填度が使用されてよい。
【００２８】
補償体は種々異なる形式で製造することができる。超音波変換器を製造するための相応の方法も同じく本発明により提案される。補償体は、たとえば全体的にまたは部分的に注型法によって製造することができる。種々異なる注型法が使用されてもよいし、これらの注型法が組み合わされて使用されてもよい。たとえば射出成形法および／またはトランスファ成形法および／またはシートモールディング法および／または消失型を用いた注型法が使用されてよい。しかし、択一的または付加的には、別の方法、たとえば焼結法が使用されてもよい。補償体は、超音波変換器に直接的にかつ／または超音波変換器のプリアッセンブリに、たとえば前述した１つまたはそれ以上の方法によって、たとえばすでに超音波変換器のハウジング内にかつ／または超音波変換器内に残された消失型において形成することができる。これによって、超音波変換器の別の構成部材との材料接続的な結合による形状付与を同時に行うことができる。この形状付与は全体的にまたは部分的に別の構成部材によって行うことができ、かつ／または全体的にまたは部分的に別個の金型によって行うことができる。択一的または付加的には、補償体が全体的にまたは部分的に別個の構成部材、たとえば１つまたはそれ以上の別個の成形部材として製造されてもよい。消失型を用いた考えられる使用可能な注型法の詳細については、たとえば上述したドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に開示されている。
【００２９】
特に注型法に相俟って、しかし、別の製造法でも、超音波変換器が、圧電性の変換器素子と整合体との間の相対的な位置を決めるために調整された少なくとも１つの位置決めエレメントを有していると有利である。たとえばスペーサ、センタリングエレメント、係止フックまたはこれに類するエレメントが使用されてもよいし、これらのエレメントが組み合わされて使用されてもよい。
【００３０】
上述したように、補償体は、たとえば注型法によって形成することができる。注型法とは、補償体の出発材料、たとえば補償体の、まだ（一次）成形可能である、たとえば流動性である素材が相応の形状付与法によって成形される方法を意味している。その後、成形と同時にまたは成形に続いて、たとえば硬化可能な材料の硬化によって補償体への変換を行うことができる。択一的または付加的には、補償体が少なくとも１つの成形部材、特にディスクを有していてもよい。この成形部材は超音波変換器、たとえば超音波変換器のハウジングに、たとえば別個の構成部材として挿入することができる。当然ながら、成形部材は注型法および／または別の方法によって製造されていてもよい。
【００３１】
選択的な成形部材は、圧電性の変換器素子および／または整合体に、特に材料接続的な結合を介して結合することができる。この態様では、特に接着を選択することができる。成形部材は、圧電性の変換器素子および／または整合体に、有利には、圧電性の変換器素子の熱膨張率ＣＴＥＰｉｅｚｏと整合体の熱膨張率ＣＴＥＡｎｐａｓｓとの間に位置する熱膨張率ＣＴＥＫｌｅｂを有する接着剤によって接着される。中間段階付けが使用されてもよい。したがって、ＣＴＥＫｌｅｂは、たとえば整合体と補償体との間の接着のために、ＣＴＥＡｎｐａｓｓとＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎとの間に位置していてよい。付加的または択一的には、ＣＴＥＫｌｅｂが、補償体と圧電性の変換器素子との間の接着のために、ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎとＣＴＥＰｉｅｚｏとの間に位置していてもよい。有利には、１回またはそれ以上の回数の前述した接着のために、補償体の材料と少なくとも部分的に同一である接着剤が使用されてよい。たとえば、充填されたエポキシ樹脂が使用されてよく、これによって、材料接続的な結合部が形成される。種々異なる接着剤が使用される別の態様も可能である。
【００３２】
選択的な成形部材は種々異なる形式で製造することができる。成形部材は、たとえばプラスチック材料、特にエポキシ樹脂ディスクの形の成形部材を有していてよい。しかし、択一的または付加的には、成形部材が全体的にまたは部分的に非プラスチック材料から、たとえばガラスから成る成形部材の形でかつ／またはセラミックスから成る成形部材の形で製造されていてもよい。種々異なる材料の組合せも可能である。整合体は、基本的には、たとえばディスク、層または別の形式として形成することができる。整合体の形状の可能な態様については、たとえば同じくドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に開示されている。補償体は整合体を取り囲むこともでき、選択的には、少なくとも部分的に圧電性の変換器素子を少なくとも部分的に取り囲むこともできる。特にこの態様では、整合体が、補償体を製造するための注型法の型として同時に使用されると特に有利である。
【００３３】
上述した本発明に係る超音波変換器と、このような形式の超音波変換器を製造するための相応の方法とは、公知の超音波変換器および公知の方法に比べて多数の利点を有している。補償体による熱膨張率の適合によって、圧電性の変換器素子と、直接隣接した材料、この態様では補償体との間に、熱的に生じる機械的な歪みが少なくとも十分に生じなくなるかまたは歪みが、補償体と、この補償体に隣接した整合体との間の歪みよりも著しく小さくなることが達成される。したがって、敏感な圧電性の変換器素子が損傷、たとえば補償体なしで熱衝撃変化時に頻繁に生じる恐れがある微小亀裂形成および／または減極に対して防護される。さらに、補償体の均質性特性によって、この補償体を非均質の材料、たとえば繊維編組に比べて比較的肉厚に形成することができる。これによって、より大きな割合のＣＴＥ誤適合または全ＣＴＥ誤適合を圧電性の変換器素子から空間的に十分に離すことができ、これによって、同じく圧電性の変換器素子の領域により少ない応力が生じることになる。
【００３４】
さらに、たとえば繊維状の中間層の代わりに、均質な補償体の選択によって、繊維マットを圧電性の変換器素子に直接位置決めし、そこに硬化まで固持する難題を排除することができる。さらに、挿入された繊維における安定性は、通常、織物組織および織り方に敏感に左右される。これに対して、必要となるＣＴＥを確保するために充填剤が使用され、この充填剤が少なくとも十分均質に補償体内に混入されている場合には、この敏感な影響量が排除され、充填剤が圧電性の変換器素子に強制的に直接接触するかもしくは圧電性の変換器素子の十分近傍に位置するようになる。すなわち、必要となる熱膨張率を圧電性の変換器素子に直接確保することの難題は、場合により困難な繊維位置決めから、有利には補償体、たとえば補償体のエポキシコンパウンドのたいてい極端に高い充填に移り変わっている。しかし、後者は、有利には準備段階でかつ使用中に行われ、これによって、大規模な製造において、ここでは、製造利点を得ることができる。
【００３５】
さらに、別の視点では、補償体が整合体と圧電性の変換器素子との間の結合を改善することもできる。たとえば整合体を少なくとも部分的に多孔質に形成することができる。しかし、この多孔性によって、整合体と圧電性の変換器素子との間の直接的な接着が困難となることがあるかもしくは接着剤が、たとえば気孔内に浸み込むことが不安定になることがある。これによって、整合体の音響特性が変化させられることもある。特に１つまたはそれ以上の上述した製造法、たとえば注型法、射出成形法またはトランスファ成形法の使用下での少なくとも１つの補償体の提案された使用時には、この難題を回避することができる。たとえばこの製造法では、整合体の多孔質の表面を補償体の材料によって封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】補償体を備えた本発明に係る超音波変換器の実施の形態を示す図である。
【図２Ａ】フレキシブルでないエポキシ接着剤と、柔軟化されたエポキシ接着剤とを備えた従来の超音波変換器に対する耐熱衝撃性を示す図である。
【図２Ｂ】フレキシブルでないエポキシ接着剤と、柔軟化されたエポキシ接着剤とを備えた従来の超音波変換器に対する温度範囲を示す図である。
【図３Ａ】補償体を備えた本発明に係る超音波変換器の耐熱衝撃性を示す図である。
【図３Ｂ】補償体を備えた本発明に係る超音波変換器の温度範囲を示す図である。
【図４Ａ】減衰エレメントの第１の実施の形態を示す図である。
【図４Ｂ】減衰エレメントの第２の実施の形態を示す図である。
【図４Ｃ】付加的に遮断エレメントが設けられた減衰エレメントの第３の実施の形態を示す図である。
【図４Ｄ】付加的に遮断エレメントが設けられた減衰エレメントの第４の実施の形態を示す図である。
【図４Ｅ】付加的に遮断エレメントが設けられた減衰エレメントの第５の実施の形態を示す図である。
【図５Ａ】本発明に係る超音波変換器を製造するための方法の第１の実施の形態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明に係る超音波変換器を製造するための方法の第２実施の形態を示す図である。
【図５Ｃ】本発明に係る超音波変換器を製造するための方法の第３の実施の形態を示す図である。
【図５Ｄ】本発明に係る超音波変換器を製造するための方法の第４の実施の形態を示す図である。
【図６Ａ】位置決めエレメントを備えた本発明に係る超音波変換器の横断面図である。
【図６Ｂ】位置決めエレメントの横断面図である。
【図６Ｃ】位置決めエレメントの平面図である。
【００３７】
実施の形態
本発明の実施の形態を図面に示し、以下に詳しく説明する。
【００３８】
図１には、本発明に係る超音波変換器１１０の第１の実施の形態が、側方から見た断面図で示してある。この超音波変換器１１０は、たとえば円筒状の圧電素子の形で形成されていてよい圧電性の変換器素子１１２を有している。この圧電性の変換器素子１１２は、たとえば２つの接続コンタクト１１４、たとえばコンタクトワイヤを介して電気的にコンタクティング（接触接続）することができ、これによって、圧電性の変換器素子１１２に接続コンタクト１１４を介して、たとえば制御信号を供給することができ、かつ／または接続コンタクト１１４を介して圧電性の変換器素子１１２の信号を導出することができる。
【００３９】
さらに、図１に示した実施の形態における超音波変換器１１０は整合体１１６を有している。この整合体１１６は、圧電性の変換器素子１１２と流体媒体との間の振動結合を改善するために働く。流体媒体には、超音波信号が入力されるようになっており、かつ／または流体媒体から、超音波信号が圧電性の変換器素子１１２に入力されるようになっている。したがって、整合体１１６は、圧電性の変換器素子１１２と、図１に示していない流体媒体との間に配置されている。したがって、整合体１１６は、超音波信号範囲内の音響結合を改善するために働く。有利には、整合体１１６によって、インピーダンス整合が可能となる。このような形式の整合体１１６の構成の形態は、上述した公知先行技術、特にたとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に開示されている。上述した公知先行技術には、整合体１１６の、本発明にも転用可能である可能なジオメトリおよび材料が開示されている。整合体１１６は、たとえば層として形成されているものの、図１に示しかつ以下に詳しく説明するように、消失型として使用されてもよく、たとえば整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間に収容される補償体１１８を少なくとも部分的に取り囲むことができる。
【００４０】
整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間の少なくとも１つの補償体１１８は、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間の結合における上述した目的矛盾を解決するために働く。一方では、この結合が十分な熱衝撃変化安定性を保証していなければならず、これによって、基本的には、整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間の極めて軟質の結合が有利であるといえる。しかし、他方では、このような軟質の結合が、一般的には、より高い温度でフレキシブル（柔軟）となり、これによって、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間にもはや十分な音響結合を形成しなくなる恐れがある。これに対して、よりフレキシブルでない結合によって、確かに、超音波変換器１１０の温度使用範囲がより大きくなるものの、熱衝撃変化に対する感度が高まってしまう。
【００４１】
この目的矛盾は、図２Ａおよび図２Ｂに示してある。両図には、本発明における補償体１１８なしの従来形成された超音波変換器１１０に対して行われた測定結果が示してある。図２Ａには、（図２ＡにＴＳＷで示した）熱衝撃変化サイクルの回数の関数として、超音波振幅が、第１の測定結果の「％」で記入して示してある。すなわち、この測定結果は、超音波変換器１１０の熱衝撃変化安定性を特徴的に表している。これに対して、図２Ｂには、同じく超音波振幅が「％」で記入してあるものの、この場合には、「℃」で示した使用温度Ｔの関数として記入してある。したがって、この測定結果は、超音波変換器１１０の温度使用範囲を示している。
【００４２】
圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間の種々異なる結合を伴った種々異なる形式の超音波変換器１１０が使用されている。曲線１２０，１２２は、圧電性の変換器素子１１２が、フレキシブルでない硬質のエポキシ接着剤を介して整合体１１６に結合された超音波変換器１１０における測定結果を示している。これに対して、曲線１２４，１２６は、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間の結合のために、柔軟化されたエポキシ接着剤が使用された超音波変換器１１０における測定結果を示している。
【００４３】
測定結果は、上述した目的矛盾を明瞭に説明している。図２Ａに示したように、熱衝撃変化安定性については、柔軟化されたエポキシ接着剤を備えた超音波変換器１１０が有利である。なぜならば、柔軟化されたエポキシ接着剤が、整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間の熱的な応力を良好に補償することができるからである。これに対して、超音波変換器１１０へのフレキシブルでないエポキシ接着剤（曲線１２０）の使用は、すでに数回の熱衝撃変化後、超音波変換器１１０の破壊を招いている。他方、図２Ｂにおける測定結果が明瞭に示しているように、柔軟化されたエポキシ接着剤（曲線１２６）を備えた超音波変換器１１０は、フレキシブルでないエポキシ接着剤（曲線１２２）を備えた超音波変換器１１０に比べて著しく小さな温度使用範囲を有している。したがって、このような形式の超音波変換器１１０の特徴的な特性は、特に自動車分野において著しく変動し得る各温度使用範囲に著しく左右される。
【００４４】
これに対して、図３Ａおよび図３Ｂには、図２Ａおよび図２Ｂに類似して、たとえば図１に示した本発明に係る超音波変換器１１０によって検出された曲線１２８，１３０が示してある。本発明に係る超音波変換器１１０では、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間に、上述した目的矛盾を解決する補償体１１８が組み込まれている。同じく熱衝撃変化安定性を示す図３Ａに示した曲線１２８から認めることができるように、本発明に係る超音波変換器１１０の熱衝撃変化安定性は、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間の柔軟化されたエポキシ接着剤による図２Ａに示した曲線１２４に対してさえ改善されている。図３Ｂに示した曲線１３０は、熱衝撃変化安定性の改善にもかかわらず、図２Ｂに示した曲線１２６に比べて著しく改善された測定信号の一様性が温度範囲にわたって存在していることを示している。この測定結果は、圧電性の変換器素子１１２が整合体１１６に直接接着された従来の超音波変換器１１０に比べて、補償体１１８を備えた本発明に係る超音波変換器１１０の利点を明瞭に示している。
【００４５】
補償体１１８を備えた超音波変換器１１０を製造するためには、実験室試験において、充填されたエポキシドをベースとした補償体１１８が使用された。この場合、１２ｐｐｍ／Ｋよりも小さな熱膨張率ＣＴＥＺｗｉｓｃｈｅｎを有する充填されたエポキシドが特に有利であると判明した。約８ｍｍの直径および約２ｍｍの高さを備えた圧電性の変換器素子１１２の場合には、１．５ｍｍよりも厚い層厚さが有利であると判った。整合体１１６には、３０ｐｐｍ／Ｋよりも大きな熱膨張率ＣＴＥＡｎｐａｓｓを有する材料が使用された。すなわち、全体的には、少なくとも充填されたエポキシドの場合、補償体１１８に対して、大きな層厚さと、整合体１１６の熱膨張率よりも圧電性の変換器素子１１２の熱膨張率に著しく近い熱膨張率とが使用されると有利である。補償体１１８に用いられる別の材料、たとえば規定された種類のセラミックスおよび／またはガラスでは、有利な範囲がシフトされることもある。
【００４６】
特に中間層として形成することができる補償体１１８に用いられる材料として、特に高充填されたエポキシ樹脂が可能である。充填物は、たとえば石英粉および／またはセラミック材料から成っていてよい。たとえば、電気工学に基づくグローブトップコンパウンドおよび／または電子的なカプセル封止技術においてアンダフィルを制限するための安定した壁材料が、比較的低い熱膨張率を有している限り、グローブトップコンパウンドおよび／または壁材料が、補償体１１８に対する材料として使用されてよい。電子工学の別の分野に基づき公知のこのような材料は、通常、低い熱膨張率を有しており、これによって、たとえば敏感なシリコンチップまたはコンタクティング部材が、付加的な熱的な歪みを発生させることなく機械的に防護される。しかし、使用される圧電性の変換器素子１１２に良好に適合する高い音響インピーダンスも高い充填度の副次的効果である。さらに、前述した物質の高い弾性率によって、たとえば通常では熱的な歪みに対する防護のために超音波変換器１１０に使用される柔軟化されたプラスチックの場合に可能である音響結合よりも著しく良好な音響結合が、圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間で可能となる。圧電性の変換器素子１１２と整合体１１６との間の前述した形式の補償体１１８を備えた超音波変換器１１０は、図１に示した構造に対して択一的または付加的に図４Ａ〜図６Ｃにつき例示的に説明するように、種々異なる形式で形成することができ、製造することができる。
【００４７】
図４Ａ〜図４Ｅには、それぞれ１つの整合体１１６と、この整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間に挿入された１つの補償体１１８とを備えた超音波変換器１１０の実施の形態が示してある。付加的には、この超音波変換器１１０が、全ての実施の形態において、さらに選択的に少なくとも１つの減衰エレメント１３２を有している。この減衰エレメント１３２は、音響的な信号の可能な限り迅速な減衰を保証するために調整されている。こうして、たとえば、圧電性の変換器素子１１２から送出される音響的な信号が比較的短く形成されており、これによって、連続する信号のオーバラップを回避することができることを確保することができる。このような形式の減衰エレメント１３２は、たとえばプラスチックを有していてよい。たとえば注型によって処理することができて、減衰特性を有するシリコーンおよび／またはエポキシドおよび／またはポリウレタンを使用することができる。特にこの実施の形態でも、複合材、たとえば少なくとも一種類の母材、特にエラストマ母材および／または熱硬化性樹脂母材と、少なくとも一種類の充填剤とから成る複合材を再び使用することができる。しかし、熱可塑性の母材も基本的には可能である。たとえばプラスチックフォームが使用されることによって、充填剤として、たとえばガス封入体、たとえば気泡も同じく可能である。択一的または付加的には、たとえば固形の封入体、たとえば充填剤としてのまたは充填剤の成分としてのプラスチック中空球、たとえばガス充填された中空球も可能である。択一的または付加的には、より重い充填剤も可能である。図４Ａ〜図４Ｅに示したように、減衰エレメント１３２の種々異なる配置および／または構成が可能である。これらの減衰エレメント１３２は、全体的にまたは部分的に超音波変換器１１０の別の素子を製造するための型、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に記載されているような消失型として使用されてもよい。たとえば、減衰エレメント１３２は、全体的にまたは部分的に整合体１１６および／または補償体１１８を製造するための消失型として使用されてよい。図４Ａに示した実施の形態では、減衰エレメント１３２が端面側で、すなわち、流体媒体に向けられた放射側で整合体１１６を取り囲んでいて、半径方向で整合体１１６と補償体１１８とを取り囲んでいる。図４Ｂに示した実施の形態では、減衰エレメント１３２が付加的にさらに圧電性の変換器素子１１２を少なくとも部分的に取り囲んでいる。図４Ｅに示した実施の形態では、減衰エレメント１３２が少なくとも部分的に圧電性の変換器素子１１２を、たとえば超音波変換器１１０の選択的なハウジングの、図４Ｅに示していないカバーに向かって取り囲んでいる。図４Ｃに示した実施の形態は、補償体１１８と整合体１１６との取囲みに関して、図４Ａに示した実施の形態にほぼ対応している。図４Ｄに示した実施の形態では、整合体１１６しか減衰エレメント１３２によって部分的に取り囲まれていない。
【００４８】
図４Ｃ〜図４Ｅに示した実施の形態では、減衰エレメント１３２に対して付加的にさらに少なくとも１つの遮断エレメント１３４が設けられている。図４Ａおよび図４Ｂに示した実施の形態でも設けられていてよい選択的な遮断エレメント１３４は、圧電性の変換器素子１１２および／または整合体１１６および／または補償体１１８と、超音波変換器１１０の選択的なハウジング（図示せず）との間の固体伝播音遮断、つまり、遮音のために働く。たとえば、このような形式の遮断エレメント１３４は全体的にまたは部分的に減衰エレメント１３２と共にまとめられていてもよく、極めて軟質の材料から製造することができる。
【００４９】
遮断を保証するためには、遮断エレメント１３４が、たとえばエラストマ材料、特にシリコーン材料および／またはポリウレタンを含有していてよい。たとえば、液状シリコーン（英語：ｌｉｑｕｉｄ  ｓｉｌｉｃｏｎｅ  ｒｕｂｂｅｒ，ＬＳＲ）を使用することができる。一般的には、遮断エレメント１３４が少なくとも一種類のプラスチック材料、特にエラストマ材料を含有していてよい。このプラスチック材料は、有利には４０未満、特に２５未満のショアＡ硬さを有している。特に複合材、たとえば少なくとも一種類の母材、特にエラストマ母材と、少なくとも一種類の充填剤とから成る複合材が使用されてもよい。たとえばエラストマフォームが使用されることによって、充填剤として、たとえばガス封入体、たとえば気泡が可能となる。択一的または付加的には、たとえば固形の封入体、たとえば充填剤としてのまたは充填剤の成分としてのプラスチック中空球、たとえばガス充填された中空球も可能である。
【００５０】
図４Ｃに示した実施の形態では、遮断エレメント１３４が減衰エレメント１３２を端面側で取り囲んでいて、整合体１１６と、補償体１１８と、圧電性の変換器素子１１２とを半径方向で取り囲んでいる。類似の構造が図４Ｄにも設けられている。これに対して、図４Ｅに示した実施の形態では、遮断エレメント１３４による半径方向の取囲みならびに補償体１１８の層レベルへの遮断エレメント１３４の少なくとも部分的な埋込みだけが提案されている。上述したように、図４Ａ〜図４Ｅに示した実施の形態では、減衰エレメント１３２および／または遮断エレメント１３４が、超音波変換器１１０を製造するための直接注型（ダイレクトキャスティング）に用いられる消失型として働くことができる。すでに上述した図１に示した実施の形態における超音波変換器１１０も、たとえば補償体１１８としての充填されたエポキシ樹脂の直接注型によって製造することができる。すでに上述したように、たとえば同じく消失型として働くことができる所定の輪郭を備えた整合体１１６が使用される。付加的には、圧電性の変換器素子１１２の位置決めが、結合時、たとえば注型時に、たとえば整合体１１６の張り出した部分、一緒に注型された付加的な位置決めエレメントおよび／または外部の位置決め装置によって行われてよい。このことは、図１に示していない。
【００５１】
消失型による直接注型の使用に対して択一的または付加的には、補償体１１８と、圧電性の変換器素子１１２および／または整合体１１６との間の結合のための直接注型が、外的な型１３６によって行われてもよい。このことは、図５Ａ〜図５Ｄに種々異なる実施の形態で示してある。図５Ａおよび図５Ｂに示した実施の形態では、整合体１１６上への注型が行われる。これに対して、図５Ｃおよび図５Ｄには、「逆」の構築形態が示してある。この構築形態では、まず、圧電性の変換器素子１１２が挿入され、その後、この圧電性の変換器素子１１２に直接注型によって補償体１１８と整合体１１６とが被着される。さらに、図５Ｂに示したように、選択的には、さらに、たとえば支持および／または位置決めのための金属薄板の形の少なくとも１つの位置決めエレメント１３８が型１３６内に挿入されてよい。
【００５２】
図６Ａ〜図６Ｃには、同じく１つの構築形態が示してある。この構築形態では、消失型として超音波変換器１１０内に残されてよい位置決めエレメント１３８が挿入される。図６Ａには、本発明により形成された超音波変換器１１０の横断面図が示してある。これに対して、図６Ｂには、位置決めエレメント１３８が横断面図で示してあるに過ぎない。図６Ｃには、位置決めエレメント１３８の平面図が示してある。たとえばアンダカットなしのプラスチック成形部材として形成されていてよい位置決めエレメント１３８は、一体化された位置決め補助手段を有している。図６Ｂおよび図６Ｃでは、文字Ａが、圧電性の変換器素子１１２に対する載着面を示しているのに対して、文字Ｒは、案内・係止フックを示している。この案内・係止フックは選択的に設けることができ、圧電性の変換器素子１１２を付加的に位置決めすることができる。図６Ｂおよび図６Ｃに示した位置決めエレメント１３８は、超音波変換器１１０の構造に対して、たとえば整合体１１６に載着させることができる。次いで、圧電性の変換器素子１１２の被着と、補償体１１８の注型とを行うことができる。すなわち、たとえば別個のプラスチック成形部材としての位置決めエレメント１３８が、補償体１１８を製造するための、たとえば充填されたエポキシ樹脂の直接注型時に同時に消失型および位置決め補助手段として働くことができる。位置決め輪郭は、位置決めエレメント１３８の材料特性に主として左右されないように肉薄に形成されていてよい。こうして、圧電性の変換器素子１１２を著しく歪ませ得ることなく、たとえば高い熱膨張率を備えた材料を使用することができる。また、図６Ａに示した実施の形態でも、付加的に少なくとも１つの減衰エレメント１３２と少なくとも１つの遮断エレメント１３４とが設けられていてよい。減衰エレメント１３２と遮断エレメント１３４との構造は、図４Ｅに示した構造にほぼ対応しており、これによって、上記説明を参照することができる。
【００５３】
図１、図４Ａ〜図４Ｅ、図５Ａ〜図５Ｄまたは図６Ａ〜図６Ｃに示した実施の形態の１つにおける、たとえば充填されたエポキシ樹脂による補償体１１８の製造のための直接注型および／または消失型の使用は、製造技術的に簡略化および利点を提供する。消失型は、たとえば図１における実施の形態に示したように、整合体１１６の一部であってもよい。択一的または付加的には、たとえば図６Ａ〜図６Ｃに示した実施の形態による位置決めエレメント１３８の形の、場合により消失型と同一であってもよい別個の構成部材が、製造プロセスの間の位置決めのために使用されてもよい。消失型は、図４Ａ〜図４Ｅに示したような減衰エレメント１３２および／または遮断エレメント１３４と少なくとも部分的に同一であってもよい。後者の形態でも、消失型は、たとえば図４Ｅに例示したように、たとえば自体、位置決め補助手段および／または位置固定補助手段として形成されていてよい。しかし、択一的または付加的には、別個の位置決め・位置固定部材が使用されてもよい。減衰エレメント１３２は、最初に半径方向に振動する圧電性の変換器素子１１２において、有利には少なくとも圧電性の変換器素子１１２の円筒周面にも接触している。減衰エレメント１３２によって、圧電性の変換器素子１１２は、パルス状の短い励振後に迅速に再び振動停止する。このことは、超音波伝搬時間測定において有利である。遮断エレメント１３４は、外部に対する超音波変換器１１０の機械的なインタフェースまたは機械的なインタフェースの一部を成していて、外部から流体媒体への超音波エネルギが、超音波変換器１１０の機械的な周辺に固体伝播音としても侵入し、したがって、妨害信号に繋がり得ることを阻止することができる。消失型は、補償体１１８の注型のために使用することができるだけでなく、たとえば、整合体１１６、たとえばエポキシ樹脂マトリックス内の、ガラス中空球を含んだ充填物による整合体を注型するために働くこともできる。この形態では、整合体１１６の別個の前もった製造を省略することもでき、この整合体１１６を超音波変換器１１０内に直接製造することもできる。直接注型の利点は、より廉価なかつ抑制可能なプロセスである。さらに、たとえば、より高価な電極ジオメトリが必要となることなしに、圧電性の変換器素子１１２の電気的なコンタクティングも省略することができる。
【００５４】
上述した実施の形態は全て直接注型による超音波変換器１１０の構造を示している。しかし、図示の超音波変換器１１０は全て選択的にまたは択一的に、たとえば、のちに相応に組み合わされる別個の成形部材の形成による別の構築技術によって形成されてもよい。したがって、たとえば充填されたエポキシ樹脂から半製品を製造することができる。これに基づき、やはり補償体１１８を相応の加工によって形成することができる。さらに、補償体１１８は、出発物質、たとえば同じく充填されたエポキシ樹脂から直接製造されてもよい。このように製造された補償体１１８は、たとえば同一の充填されたエポキシ樹脂の使用によって圧電性の変換器素子１１２および／または整合体１１６に接着することができる。
【００５５】
補償体１１８は、より大きな型内で製造されてもよく、その後、相応の加工によって所望の形状にもたらされる。たとえば棒状型内での注型、たとえば充填されたエポキシ樹脂の注型が行われてよい。その後、このように製造された半製品を、たとえばディスクにソーイングすることができる。その後、このディスクを同じく補償体１１８として使用することができ、かつ／またはこのような形式の補償体１１８に使用することができる。択一的または付加的には、出発材料、たとえば充填されたエポキシ樹脂コンパウンドが、たとえば相応の型の使用下で直接ディスク形状にもたらされてもよい。たとえば型として、穿孔されたプレートが使用されよい。このプレートが、充填されたエポキシ樹脂コンパウンドもしくは出発材料で充填される。次いで、このプレートにわたって掻除が行われてよく、これによって、平滑な表面が得られる。その後、穿孔されたプレートが、閉鎖部材としての底プレートに押圧されてよく、これによって、硬化後に離型が容易になる。型は、たとえばテフロン（登録商標）コーティングを有していてよく、かつ／またはテフロンから成っていてよいかまたはその他のコーティングされる材料から成っていてよく、これによって、離型が一層容易になる。その後、硬化されたディスク、たとえばエポキシ樹脂ディスクを、たとえば挿入部材として、整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間の接着部に挿入することができる。接着剤は、やはり適切な熱膨張率、有利には補償体１１８の材料に少なくともほぼ等しい熱膨張率を有していることが望ましい。理想的には、接着剤の材料は、補償体１１８の材料、たとえばディスク材料と少なくともほぼ同一であることが望ましい。その後、補償体１１８、たとえば中間層の厚さを、ディスク厚さと接着プロセスの間の圧着とから極めて再現可能に得ることができる。直接注型の上述した方法に対する利点は、特に補償体１１８の厚さが、より容易にかつ再現可能に調整可能であり、構成部材に対する型または消失型が自体不要になることにある。
【００５６】
実験室試験において、両方法形態、すなわち、上述した直接注型と、別個の補償体１１８を有する方法とによって超音波変換器１１０が製造された。後者は、注型されてソーイングされるロッドを用いた中間ステップを介して行われた。１０ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有する「ナガセ」社の充填されたエポキシ樹脂「Ｒ１００７」が使用された。約１．５ｍｍ以上の厚さの場合、図２Ａ〜図３Ｂにつき上述した目的矛盾は、両製造法の使用下で本発明に係る超音波変換器１１０によって効果的に排他され、これによって、大きな温度範囲と同時に熱衝撃変化に対する安定した特性とが達成される。熱衝撃変化安定性は、少なくとも同じ製造元の材料が類似している場合、熱膨張率の増加につれて消滅する。したがって、実験室試験において、すでに補償体１１８の材料に対する１７ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率で圧電性の変換器素子１１２が熱衝撃変化時に損傷したことが確認された。
【００５７】
一般的には、補償体１１８に対する充填されたエポキシ樹脂の使用は、本発明における補償体１１８の有利な形態を成している。しかし、択一的または付加的には、適切な熱膨張率を有する別の材料が基本的に使用されてもよい。したがって、たとえば、補償体１１８に対する直接注型でかつ／または別個の構成部材による製造法の使用下で別の材料、たとえばガラスおよび／またはセラミックスを使用することが可能である。この方法形態でも、たとえば再び別個の構成部材が形成されてよい。この構成部材は、その後、たとえば上述した特性を備えた、たとえば充填されたエポキシ樹脂接着剤によって整合体１１６と圧電性の変換器素子１１２との間に接着することができる。この方法形態でも、補償体１１８の厚さを容易に調整することができ、構成部材に対する型または消失型が自体不要となる。しかし、このような形式の型または消失型は、基本的には択一的にまたは付加的に使用することができる。さらに、この方法形態では、半製品製造またはプレート製造の間の、たとえば強力に付着したエポキシ樹脂コンパウンドの離型困難性は生じない。
【００５８】
補償体１１８を製造するための上述した直接注型および／または別個の構成部材の使用に対して択一的または付加的には、別の製造法も可能である。補償体１１８が、たとえば全体的にまたは部分的に射出成形テクノロジまたはトランスファ成形テクノロジによって製造されてよく、整合体１１６に被着されてよい。この射出成形プロセスまたはトランスファ成形プロセスは、たとえばシリコンチップのパッケージングに類似して実施することができる。このようなプロセスガイドの利点は、高められた誤差補償にある。たとえばインピーダンスの整合のために、後続の製造プロセスに対して過度に大きい幾何学的な誤差を有する整合体１１６が使用される場合には、この誤差を、整合体１１６と補償体１１８とを有する入力アッセンブリに対する成形プロセスに基づく、金型に関連したより小さな誤差によって補償することができる。このことは、特に整合体１１６が機械的に半製品から加工される場合に有効であるかまたは整合体１１６が、予め規定されたプレス力と、より大まかに許容された充填量もしくは造粒物コンシステンシとのもと、パンチング工具および／またはプレス工具で製造される場合に有効である。
【００５９】
整合体１１６の製造に関しても数多くの可能性が存在している。整合体１１６は、たとえば中空室を備えた材料、たとえば多孔質のセラミックス、発泡成形されたプラスチック、特に熱硬化性樹脂および／または熱可塑性樹脂、一般的にはポリマ、または中空体を備えたプラスチックを含有していてよい。中空体として、たとえばプラスチック中空体またはガラス中空体、有利にはガラス中空球が可能である。一般的には、本発明の範囲内でも択一的にまたは付加的に使用可能である整合体１１６の可能な材料ついて、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０１０５００号明細書に開示されている。整合体１１６に対するベース材料または母材としてプラスチックが使用される場合には、たとえばガラス中空球によって充填されたエポキシ樹脂材料を使用することができる。択一的または付加的には、たとえばポリイミド、たとえば発泡成形されたポリイミド、焼結されたポリイミドまたは多孔質のポリイミドが使用されてもよい。例として、ここでは、「デュポン」社のポリイミド「ベスペル（登録商標）」を挙げておく。
【符号の説明】
【００６０】
１１０  超音波変換器
１１２  圧電性の変換器素子
１１４  接続コンタクト
１１６  整合体
１１８  補償体
１２０  曲線
１２２  曲線
１２４  曲線
１２６  曲線
１２８  曲線
１３０  曲線
１３２  減衰エレメント
１３４  遮断エレメント
１３６  型
１３８  位置決めエレメント
Ａ  載着面
Ｒ  案内・係止フック
【図１】
0005665765.tif 000002
【図２Ａ】
0005665765.tif 000003
【図２Ｂ】
0005665765.tif 000004
【図３Ａ】
0005665765.tif 000005
【図３Ｂ】
0005665765.tif 000006
【図４Ａ】
0005665765.tif 000007
【図４Ｂ】
0005665765.tif 000008
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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