用于在流体介质中使用的超声波换能器的制作方法

专利名称：用于在流体介质中使用的超声波换能器的制作方法
用于在流体介质中使用的超声波换能器
背景技术：
本发明涉及已知的超声波换能器，它例如在工艺技术和/或汽车领域中的超声波流量计中的使用。这种超声波换能器或超声波流量计尤其在内燃机的进气歧管和/或排气歧管中使用，尤其用于空气的体积流测量或质量流测量。在此典型地使用超声波换能器， 它们不仅能够发射超声波到流体介质、即气体和/或液体中而且能够接收超声波。超声波信号通常通过流动的流体介质从发射器传输到接收器，并且在此测量超声波信号的传播时间、传播时间差或者相位或相位差或者也测量这些测量参数的组合。这些信号受到流体介质流动的影响。由对传播时间的影响程度能够推导出流体的流速。这种超声波换能器的例子在DE 42 30 773 CUEP 0 766 071 Al 或DE 102007 010 500 Al 中示出，它们也可以在本发明的范围内按照本发明改型。在例如上述类型的、尤其用于尤其在气态流体介质例如空气中测量超声波传播时间的和/或测量超声波流动的超声波换能器或超声波流量计中，典型地使用所谓的适配元件，例如以一个或多个适配层的形式。这些适配元件考虑到以下事实由常见的超声波发生器、例如压电陶瓷产生的耦入到流体介质中的振动能量必需克服高的声学阻抗差，例如以因子6X10_5。因此，通常约99. 9995%的声能在从压电陶瓷到空气的路径上在相应的分界面上反射回来并且对于测量是不可用的。相同的反射损失再一次在用于接收的第二换能器中出现，该第二换能器也可以与第一换能器相同。为了改善压电元件与要被测量的流体之间的声学耦合，通常使用适配体，尤其具有一个或多个适配层的适配体，尤其用于提高超声波流量计的信号行程。这些适配体用于阻抗匹配并且具有声学阻抗，所述声学阻抗位于压电换能器元件的阻抗与流体介质的阻抗之间。这种适配层例如可以包括薄膜和λ/4层。 例如已知超声波换能器具声辐射的谐振体或适配体、例如金属薄膜或λ/4阻抗适配层。这种超声波换能器尤其能够用于空气的流体测量，其中由该流体测量例如可以在内燃机的系统控制装置内部推导出空气量信号。但是已知的超声波换能器或超声波流量计的问题在于，它们必须满足特别的压力要求。为此需要抗压的超声波换能器设计。例如超声波流量计尤其用于在内燃机且尤其汽车中在涡轮增压器和/或增压空气冷却器后面进行流动测量。该位置提供应用优点和内燃机系统控制方面的优点。但是在这种安装位置中超声波换能器受到的最大压力一般为2巴至6巴。也能够实现其它应用。在这种必须满足气密性方面的高要求的超声波换能器或超声波流量计中声反射面大多构成为换能器壳体或流动管的一体的组成部分。因此该声反射面大多紧贴地(hart) 连接在这些部件、例如换能器壳体和/或流动管上，由此得到相对于固体声传播的高度耦合。但是这种在超声波换能器与包围的壳体或包围的流动管之间差的去耦合对于超声波换能器的信号质量是不利的。为了可以提供一定的去耦合，经常使用弹性体例如硅酮成型件和/或0形环。但是它们又减小超声波信号耦合流体介质中的效率或者说超声波信号从流体介质耦出到换能器中的效率。原理上在抗压性要求与所需的固体声去耦合之间存在目的冲突，因为阻尼相对较硬的压电陶瓷所需的材料对于足够的能量耦合必须具有高的声学阻抗，但是因此不足以相对于同样硬的壳体材料去耦合。另一方面，附加地安置的适合于去耦合的材料太软，不足以使换能器芯在正面施加的压力时从侧面保持在稳定的位置中

发明内容
相应地提出一种用于在流体介质中使用的超声波换能器以及一种用于制造用于在流体介质中使用的超声波换能器的方法，它们至少在很大程度上避免已知超声波换能器的缺陷。在此超声波换能器通常指的是一个元件，它用于产生和/或接收在超声波范围中的声学能量并且它例如可以在上述类型的超声波流量计中、尤其在汽车技术中使用。所提出的超声波换能器具有至少一个压电换能器元件和至少一个有利于在压电换能器元件与流体介质之间的振动耦合的适配体。在此压电换能器元件的概念是泛指的并且包括例如电-声换能器，它们可以按照铁电的、静电的、磁致伸缩的、磁电的效应或这些效应和/或其它效应的组合工作。适配元件通常指的是一个元件，它改善压电换能器元件与流体介质例如气体、尤其是空气之间的声学耦合，其方式是至少部分地实现阻抗匹配。例如使用薄膜和 /或λ /4层，它们单独或组合地安置到压电换能器元件、例如压电换能器元件的耦合面与流体介质之间。理论上对于良好的超声波耦合，所述适配体、例如适配层的阻抗能够至少近似是在流体介质(例如空气)的阻抗与压电换能器元件的压电材料的阻抗之间的几何平均值。因为这一点在大多数情况下实际上几乎不能实现，作为特别优选的用于适配体或适配层的阻抗范围建议在0. lX106kg/(m2s)至2. 5X106kg/(m2s)之间的范围。特别优选适配体的阻抗位于0. 5X106kg/(m2s)至1. 6X 106kg/(m2s)或者甚至1. 5xl06kg/(m2s)之间的范围中。例如可以优选使用0.8X 106kg/(Hi2s)的值。这些优选值适用于单层的适配层和在正常压力时作为流体介质的空气或其它气体。对于液体可以使用更高的阻抗。在多层的适配层结构中又可以使用其它阻抗。在此尤其可以尝试，使阻抗步进地从压电材料的阻抗匹配到流体介质的阻抗。所述超声波换能器还包括一个壳体。例如该壳体可以包括金属壳体和/或塑料壳体，其中壳体的材料选择可以适配于周围环境条件。如同下面详细描述的那样，本发明能够实现壳体与压电换能器元件之间的很大程度上的声学去耦合，由此在选择壳体材料时只需附加地考虑振动去耦合。压电换能器元件安置在壳体中、例如壳体的内部空间中。该壳体还具有至少一个指向流体介质的开孔，通过它能够将声波耦合到流体介质中或者从流体介质耦合到压电换能器元件中。例如该开孔可以是一个圆的和/或多边形的开孔，尤其一个圆形开孔。在此适配体至少部分地安置到开孔中。优选这样实现该安置，使得在开孔区域中在适配体与壳体内壁之间保留中间空间，例如以环形缝隙的形式。因此适配体例如可以被构造为片状和/或层式的适配体并且例如可以从其外部几何形状开始适配于开孔的内部几何形状。因此仍然优选具有多边形或圆的外部形状的适配体结构。在适配体的背离流体介质的一侧上可以设置至少一个压电换能器元件。在此所述适配体如上所述优选这样安置到开孔中，使得该适配体不直接与壳体接触，由此至少在很大程度上防止声波从壳体直接耦入到适配体中。为了减小声波耦入并且同时为了满足上述密封要求，例如超声波换能器内部空间相对于高达2至6巴的压力的密封性，还设有至少一个密封元件。该密封元件应当构成为独立元件并因此独立于适配体和壳体地构成，该密封元件被构成用于密封适配体与壳体之间的上述的至少一个中间空间。该密封这样实现，使得壳体内部空间至少很大程度上相对于流体介质密封，例如直到2至6 巴的压力。在此所述密封元件可以以不同的方式构成，用于同时满足上述的在适配体与壳体之间声波去耦合和气密性的要求。在此也可以将这些可能性组合。第一可能性例如在于，所述密封元件具有一个至少部分地遮盖适配体和壳体的一包围开孔的端面(它同样可以指向流体介质)的密封膜。该密封膜优选也完全覆盖超声波换能器的正面，例如一个平的正面，它指向流体介质。在此密封膜指的是一个薄膜形的元件，即一个元件，其厚度明显比其横向尺寸小，例如以至少一个因子10，优选以至少一个因子100、尤其以至少一个因子1000 或10000。该密封膜具有密封的特性并且保证，例如单独或与其它密封元件的其它组成部分相结合，壳体内部空间相对于流体介质实现上述密封。例如该密封膜可以具有小于100 μ m、 尤其小于25 μ m的厚度。所述密封膜例如可以具有至少一个金属膜和/或至少一个塑料膜。 在此例如可以使用热固性材料和/或热塑性材料。例如能够使用聚酰亚胺薄膜作为热固性材料。热固性材料是热特性和机械特性特别稳定的。在此特别优选Kapton 薄膜。备选或附加地作为热塑性材料能够使用例如PEEK。热塑性材料、尤其PEEK通常具有相对于水蒸气更高的密封性。也能够实现组合，例如由热固性薄膜和热塑性薄膜组成的组合。对于至少一个密封膜备选或附加地，所述密封元件可以包括至少一个至少部分地安置到壳体与适配体之间的去耦合元件。该去耦合元件例如可以完全充满适配体与壳体之间的中间空间，例如其方式是该去耦合元件完全侧面包围适配体，例如环形地包围。如上所述，该中间空间例如可以是圆环形的中间空间和/或具有多边形例如矩形构型的中间空间。去耦合元件被设置用于保证在壳体与适配体之间的固体声至少部分地去耦合。相应地使去耦合元件的材料优选选择得比壳体和/或适配体的材料更软。通过这种方式能够分开地优化壳体和适配体的材料特性，其中构造为优选完全独立的元件的去耦合元件可以保证固体声去耦合。为了保证去耦合，所述去耦合元件例如具有弹性体材料，尤其硅酮材料和/ 或聚氨酯。例如能够使用液态硅酮(英文“liquid silicone rubber, LSR)。所述去耦合元件一般可以具有至少一种塑料材料、尤其是弹性体材料，它具有小于40、优选小于25的肖氏A硬度。在此尤其也能够使用复合材料，例如由至少一种基体材料、尤其是弹性体基体材料和至少一种填充材料组成的复合材料。作为填充材料在此例如考虑气体夹杂、例如气泡，例如其方式是使用弹性体泡沫。备选或附加地例如也考虑固体的夹杂，例如塑料空心球作为填充材料或填充材料的组成部分、例如填充气体的空心球。这种去耦合元件可以特别突出地保证上述的在壳体与适配体之间固体声的去耦合特性。为了同时保证完全密封，这种去耦合元件可以例如与上述的密封膜组合。因此例如可以使片状的适配体环形地完全被去耦合元件包围，在其上再向外连接壳体。该结构的指向流体介质的整个端面例如可以由密封膜遮盖。如上所述，去耦合元件可以完全或部分地包围适配体。特别优选的是，去耦合元件包括壳体内表面的至少一个加衬、例如在至少一个开孔区域中的加衬。备选或附加地特别优选的是，在壳体内部保留的空腔以阻尼元件充满，例如以阻尼填料充满。例如压电换能器元件上方的空腔可以以作为阻尼物质的填料完全或部分地充满。在此例如仍然可以使用硅酮和/或环氧化物和/或聚氨酯，它们例如能够通过浇注加工并且它们具有阻尼的特性。尤其在这里也可以使用复合材料，例如由至少一种基体材料、尤其是弹性体基体材料和/或热固性基体材料和至少一种填充材料组成的复合材料。但是原则上能够使用热塑性基体材料。作为填充材料在此仍然考虑例如气体夹杂、例如气泡，例如其方式是使用塑料泡沫。备选或附加地例如也考虑固体夹杂，例如塑料空心球作为填充材料或作为填充材料的组成部分，例如充气空心球。备选或附加地也考虑更重的填充材料例如硅酸盐、陶瓷颗粒或金属颗粒，例如钨颗粒。在此基体材料要尽可能软地构成并且具有高的损耗模量。例如使用具有5 至50之间的肖氏A硬度的基体材料。而填充材料要尽可能密实地构成，例如具有大于2g/ cm3、优选大于4g/cm3的密度。对于阻尼填料形式的阻尼元件的构型备选或附加地，也可以以其它方式构成阻尼元件，例如通过使用成形件，如同下面详细描述的那样。壳体例如可以包括一个壳体套、例如圆柱形壳体套。该壳体套尤其可以构成为金属套、例如弯曲-冲压-部件。但是原则上也能够使用塑料或其它材料或复合材料。所述壳体套可以具有已经提到的、指向流体介质的开孔以及必要时还具有至少一个第二开孔。该第二开孔尤其可以是背面开孔，即一个开孔，它与指向流体介质的开孔相对并且设置超声波换能器的在背离流体介质的一侧上。该第二开孔可以通过至少一个封闭元件封闭。在此可以选择使压电换能器元件的至少一个电连接触点穿过第二开孔通到壳体的外表面上。通过这种方式能够实现压电换能器元件的接通，用于例如控制用于输出声学信号的压电换能器元件和/或在接收声学信号时询问压电换能器元件产生的电信号。在此所述封闭元件可以通过不同的方式构成，它们优选能够引出至少一个电连接触点。例如可以设有壳体的至少一个可弯曲的壁段，该壁段在弯曲状态中至少部分地封闭第二开孔。例如通过这种方式可以利用一个或多个可弯曲的壁段保证卷边封闭。可弯曲的壁元件例如可以与壳体套一体地连接和/或是该壳体套的一部分。对于使用可弯曲的用于封闭第二开孔的壁段备选或附加地，也可以使用其它类型的封闭元件，例如至少一个封闭罩。例如可以使用封闭罩和/或封闭环，它可以放置在壳体套上并且例如通过相应的卡锁元件、例如卡锁鼻与壳体套连接。也可以设想其它的扩展结构。在此封闭作用不必一定完全实现，而是例如也可以部分地实现。因此例如可以通过一侧的部分封闭实现整个换能器芯、即一个元件的支撑作用，该元件包括压电换能器元件和可能的适配体、阻尼元件和去耦合元件。但是附加地通过不完全封闭例如可以允许换能器芯热膨胀，而不会由此使正面的密封元件和/或其固定装置承受太强烈的热机械负荷。例如壳体套的一个向内指向的翻边和/或向内指向的卷边已经作为封闭元件可以保证所需的封闭和支撑作用，但是同时可以允许换能器芯所需的热膨胀。封闭作用也不必一定完全在壳体后端部上实现，而是也可以至少略微前置于该端部。此外超声波换能器的壳体在外侧面上具有至少一个接口元件，它用于与用于接收流体介质的测量腔机械连接。该测量腔尤其可以是用于传导流体介质的流动管。通过这种方式可以使超声波换能器例如直接集成到流动管和/或流动管段中，使得超声波换能器-传感器装置例如作为超声波流量计或作为这种超声波流量计的组成部分产生。接口元件尤其可以具有一个环绕的边缘、优选一个卷曲边缘，通过它可以建立到测量腔壁的连接。 也可以设想其它构型，例如以法兰、卷边、其它形式的固定元件或类似结构的形式。除了如上述实施形式中的一个或多个所述的超声波换能器以外还提出一种用于制造用于在流体介质中使用的超声波换能器的方法。该方法尤其可以用于制造如上述实施形式中的一个或多个所述的超声波换能器，由此关于方法的可能实施例可以参阅上面的描述。在所提出的方法中至少一个压电换能器元件安置到壳体中，该壳体具有至少一个指向流体介质的开孔。至少一个有利于在压电换能器元件与流体介质之间的振荡耦合的适配体至少部分地安置到开孔中。至少一个密封元件还与适配体及壳体这样连接，使得密封元件密封在适配体与壳体之间的至少一个中间空间，其中壳体的内部空间至少在很大程度上相对于流体介质密封。要指出，方法步骤可以以所示 的顺序执行，但是这不是一定必需的。也能够实现不同于所示顺序的其他顺序。此外也能够执行附加的、未列举的方法步骤。可以设想时间上并行或时间上重叠地执行各个方法步骤以及重复地执行单个或多个方法步骤。尤其可以这样执行本方法，使得所述适配体在连接步骤中通过密封元件与壳体连接。尤其该连接步骤是唯一的连接步骤，例如一个连接步骤，在该连接步骤中同时实现适配体与密封元件及与壳体之间的材料锁合的连接。在此尤其如上所述仍然可以使用至少一个密封膜和/或至少一个去耦合元件作为密封元件。在此可以形成一个结构组件，它包括至少三个相互连接的单个部件。在所提出的方法中还可以使至少一个密封膜与包围开孔的壳体端面及与适配体的一个面连接，该面也可以称为适配体与流体介质的耦合面。该连接尤其可以包括材料锁合的连接和/或挤压连接、尤其在高温下的挤压。不同的扩展结构是能够实现的。超声波换能器和方法在一个或多个上述实施例中与已知的超声波换能器和已知的方法相比具有许多优点。由此可以提供一种耐压的超声波换能器，它通过所述的密封元件、尤其是密封膜和/或去耦合元件在要被测量的流体介质、例如空气过压时在正面上接收相应的力并且在圆周上和在背面上形状锁合地传导到壳体中。通过完全环绕的、尽可能不可压缩的去耦合、例如通过所述的去耦合元件给出稳定的超声波换能器结构，它可以使压电换能器元件在正面施加压力时也从侧面保持在稳定位置中。由于加工原因也可以使用仅仅局部环绕的或在很大程度上环绕的去耦合，例如通过所述的去耦合元件。去耦合元件一般可以构成用于总是保证壳体与适配体之间的距离，该距离用于阻尼。此外在按照本发明的扩展结构中可以省去声学上不利的、由较硬的材料组成的或稳定地与壳体连接的反射面。这种与壳体一体连接的反射面例如在DE 42 30 773 Cl或EP 0 766 071 Al中描述，但是它具有上述的材料选择方面的缺陷。这些缺陷可以通过分开地优化各个材料被克服。通过按照本发明的有选择的、背面的例如形状锁合的尤其通过壳体的力传导可以使超声波换能器完全耐压地构成。通过本发明还能够有效地相对于固体声去耦合，对于它一般需要相对软的材料。该去耦合如上所述可以通过去耦合元件承担，其材料特性可以分开地优化。尽管该优选的软的悬挂，也可以使适配体和压电换能器元件也在高的反压力时相对位置稳定地构成。所提出的方法能够使适配体通过例如去耦合元件和/或密封膜与壳体在优选唯一的连接过程中连接成一个结构组件，该结构组件具有三个或多个零部件。接着可以安置其它元件。例如只有在制造上述的结构组件以后才可以将压电换能器元件安置到结构组件中。以这种方式可以通过提前制造结构组件使机械和/或热负荷与这些其它零部件断开， 这些负荷可能对超声波换能器的这些其它零部件带来伤害。


本发明的优选实施例在附图中示出并且在下面的描述中详细解释。附图中
图1以剖视图示出按照本发明的超声波换能器的实施例；图2示出按照图1的具有去耦合元件的超声波换能器的剖开的壳体；和图3以从斜上方看去的立体图示出按照图1的超声波换能器。
具体实施例方式在图1至3中以不同的视图示出按照本发明的超声波换能器110的实施例。在此图1示出从侧面看去的剖视图，图3示出从斜上方看去的超声波换能器110的立体图。图 2示出超声波换能器的壳体112，它具有加衬116形式的去耦合元件114。按照图1的超声波换能器110的其它元件在图2中为了简化未示出。超声波换能器110具有正面118，该正面在超声波换能器110运行中指向流体介质。此外超声波换能器110具有背面120，它在运行中通常不与介质、例如空气接触。壳体112例如基本钵形地构成并且在正面118上具有开孔122，该开口尤其在图2中可以看出。该开孔122被壳体的端面IM在该实施例中圆环形地包围。此外壳体112具有卷曲边缘1 形式的硬的接口，它例如可以与超声波传感器的传感器装置的其它部件粘接或者以其它方式连接，例如与测量腔、尤其是用于导引流体介质的流动管。所述壳体112具有内部空间128。该内部空间128向着正面118通过开孔122限定并且向着背面120通过第二开孔130限定。该第二开孔130在所示的实施例中构造为壳体112的壳体套132的背面开孔并且通过封闭元件134封闭。这些封闭元件134在所示的实施例中通过壳体112的弯曲的壁段136构成。因此壳体112例如可以构造为弯曲-冲压-部件，例如以金属壳体的形式。在所示实施例中设有四个壁段136，但是也能够实现其它结构。封闭元件134封闭第二开孔130，尤其如同图3看到的那样，在此在所示实施例中优选不完全封闭。在超声波换能器110的内部空间1 中容纳压电换能器元件138以及适配体140， 它们二者在所示实施例中由圆环片构成。但是也能够实现其它的构型。在此适配体140在其直径上设计得大于压电换能器元件138并且紧靠去耦合元件114的加衬116。该适配体 140或该适配体140的耦合面142和壳体112的端面IM通过密封膜144相互连接。该密封膜144如图1可见在所示实施例中与去耦合元件114共同形成一个密封元件146。该压电换能器元件138在所示实施例中利用两个连接触点148，150电接通。这些连接触点148，150例如可以由连接导线构成，它们穿过内部空间1 和第二开孔130在壳体112的外侧面上通到背面120上。在那里它们例如可以固定在绝缘的接触面152上，如同尤其由图3看到的那样。在此在图3中仅仅一个连接触点150设置在绝缘的接触面152(接触垫)上，而第二连接触点150直接支承在壳体112上。代替连接触点148，150与壳体112 的该连接也可以在该连接触点148方面实现绝缘。此外在安置适配体140、压电换能器元件138和去耦合元件以后保留的内部空间 128中安置阻尼元件，该阻尼元件在该实施例中构造为阻尼填料154。该作为阻尼装置的阻尼填料IM在此可以以不同的方式安置，其中概念“填料”不一定局限于作为安置技术的纯浇注。原则上也能够以其它形式安置可变形的物质作为阻尼填料154。但是特别优选浇铸，例如浇铸环氧化物、硅酮、聚氨酯或类似塑料、尤其是弹性体，因为它们带来特别有利地充满优选整个在内部空间128中保留的空腔。阻尼元件、尤其是阻尼填料154也可以完全或部分地与上述去耦合元件114组合。在这种情况下例如可以使阻尼元件一直延伸到密封膜 144。为了制造在图中所示的超声波换能器110例如可以使用圆柱形压电元件作为压电换能器元件138。例如可以使用材料PZT5A，即具有相对较低的机械品质、高的带宽和较低阻抗以及较大偏转的陶瓷。例如能够使用直径8mm和高度2mm的压电元件。由这种直径得到例如在频率范围为200kHz至240kHz中的平面谐振，它对于不同要求的应用是良好的折中方案。由高度可以推导出一定的抗弯强度，由此可以避免不利的和与温度有关的模式華禹合。适配体140例如可以由挤压的多孔烧结的聚酰亚胺制成。例如可以使用杜邦公司的商标Vespel 的聚酰亚胺，其具有0. 7g/cm3的密度。例如适配体140可以具有约Imm的厚度。但是原则上其它设计尺寸以及选择其它类型的用于适配体140的材料也是可以的， 例如一种或多种在 EP 0 766 071AU DE 10 2007 010 500 Al 或 DE 42 30 773 Cl 中列举的材料。 超声波换能器110的结构例如可以通过粘接材料覆层的密封膜144开始。例如作为密封膜144同样可以使用聚酰亚胺，例如Kapton 。例如密封膜可以具有小于25 μ m的厚度。例如可以首先使用未结构化的密封膜144，在其上在槽中可以放置适配体140、例如适配层以及壳体套132例如金属套。金属套例如可以由弯曲冲压件制成并且可以配有加衬 116作为去耦合元件114。例如可以实现具有液体硅酮(LSR)的加衬。该LSR层例如可以具有25肖氏A硬度并且可以用于固体声去耦合。为了连接上述元件即密封膜144、壳体套132和适配体140例如可以使用挤压技术和/或热技术和/或其它技术。该连接可以附加地通过压煮工艺支持。例如在压煮工艺中可以将壳体套132和适配体140优选挤压到槽中，在温度影响下压在密封膜144上。该压煮工艺例如可以与制造纤维塑料复合材料类似地进行。通过放置在密封膜144上的适配体140和壳体套132例如可以敷设略微弹性的配对形状。例如通过可在压缩机中产生的空气压力可以使配对形状顶压所述的部件上并且使它们在温度影响下压在密封膜144上。配对形状的弹性可以补偿部件的一定的公差偏差。通过选择附加的、单侧的抽真空可以从复合体中去掉多余空气。同时配对形状可以用于部件相互间的导向和定位。配对形状也可以从下面顶靠，然后从上面配备适配体140的适配层和壳体套132，并且最后通过密封膜144 和例如顶压垫涂覆。也可以通过适配体140和加衬16的LSR层的形状锁合的定位实现适配体140与壳体套132之间的改善的位置误差，例如通过在图1和2中可见的在开孔122 区域中的加衬116的内部加厚部156。LSR加衬116的该加厚部156的内径例如可以正好等于适配体140的外径。加厚部156优选完全充满在开孔122区域中在适配体140与壳体 112之间的中间空间158。在此在所示的示例中(尤其见图1)中间空间158优选圆环形地构成。在各个结构组件分开后，它们分别包括壳体套132、适配体140以及密封膜144，可以将压电换能器元件138放置在适配体140上，例如通过粘接。压电换能器元件138或者可以利用常见的电极结构设置两个端面上，由此在上述的与适配体连接前应当已经安置至少面对适配体140的触点、例如一个连接触点148，150。在这种情况下在适配体140中存在一个缺口，它可以容纳该触点。备选或附加地也可以使用压电换能器元件138，它具有环绕引出的电极，该电极在与适配体140连接后可以从背面接通。在两种情况下连接触点148，150、例如连接导线都可以在接通以后导引地固定，在包围壳体套132的壁段136期间。接着可以在壳体套132的这样产生的背壁上敷设连接触点148，150并且必要时在其上接通。 壳体套132本身例如可以构造为金属套并且可以作为EMV屏蔽(电磁屏蔽)与连接触点 148，150(在图3中的连接触点148)连接。最后可以通过阻尼填料IM形式的阻尼元件浇注内部空间128。该阻尼填料IM尤其可以比去耦合元件114、尤其是加衬116明显更硬地构成。通过这种方式可以使阻尼填料1 接收足够量的压电换能器元件138的声能。在压电换能器元件138与适配体140之间可选的粘接硬化可以可选地与阻尼填料IM的硬化同时进行。能够实现上述结构的不同变化。例如也可以只通过唯一的导线和/或通过金属的成形件形成压电换能器元件138的接通，其中例如压电换能器元件138的另一电极已经在壳体套132、例如金属套内部，可以与壳体套导电地连接。如上所述，备选或附加地对于浇注也可以使阻尼填料IM作为成形件安置，这在本发明的范围内也指的是定义“阻尼填料”。 这种成形件例如可以通过封闭封闭元件134或者使壁段136顶压压电换能器元件138，由此阻尼压电换能器元件和/或在制造过程期间固定和/或顶压两个触点中的一个触点。压电换能器元件138的接通、例如与连接触点148，150的连接也可以备选或附加地通过粘接、钎焊、导线连接、热压焊接或上述的和/或其它技术的组合实现。此外也可以设想一个设计，在其中圆柱形壳体套132通过去耦合材料和阻尼材料作为去耦合元件114的一部分基本在圆周上加衬，在其中可以沉入适配体140、例如适配层和/或压电换能器元件138和/或通过适配体140和/或压电换能器元件138覆盖，其中附加地可以通过覆层和/或薄膜实现密封。对于良好的耐压性有利的是，如果可能的话壳体套132在背面120上尽可能没有缺口。可以选择通过封闭元件134完全封闭，因为去耦合元件114、例如加衬116原则上可以非常软地构成。如果去耦合元件114的去耦合材料是不可压缩的，均勻地在反射面上作用于超声波换能器110的正面118上的流体介质的压力不会导致换能器芯、尤其是压电换能器138的位置变化。此外有利的是，去耦合通过去耦合元件114、尤其通过加衬116沿着壳体112背面120环绕。这一点在图1和2中可以看出，因为在那里加衬116也在壁段136 上延伸。这造成，对于最佳的耐压性阻尼填料巧4不必直接紧靠壳体112的后壁，在这种情况下固体声由于阻尼填料154的更大硬度从阻尼填料传递到壳体112上，这又可能在装配在附近的第二超声波换能器110中导致干扰信号。对于在图1至3中所示的壳体套132的壁段136的弯曲备选地也可以通过独立的部件、例如以罩的形状形成壳体112的后壁。该独立的部件可以通过固定部件、例如固定鼻固定。在这种情况下同样可以事先以去耦合材料或加衬116对罩加衬，或者可以使去耦合材料在背面涂覆到阻尼元件或阻尼填料巧4上，在罩放置在阻尼元件上之前。原则上可以在本发明的该扩展结构或另一扩展结构中安置阻尼填料154并封闭壳体112后壁，通过弯曲、通过独立的部件或者类似的封闭措施，反之亦然。所述壳体套132可以如上所述尤其由金属材料制成。但是备选或附加地也可以使壳体132完全或部分地由塑料制成。特别有利的是在按照图1至3的实施例中所示的卷曲边缘1 形式的接口。也可想到硬接口的其他构型。因此与许多常见的超声波换能器不同， 所述去耦合装置作为接口位于壳体112外面，由此防止，去耦合装置通过超声波换能器110本身上的结构措施一起密封。 所述适配体120可以通过不同的方式构成。例如该适配体140可以构成为适配层和/或包括适配层。适配体例如可以包括热的、化学的或光化学的可硬化或可络合的聚合体材料。这种聚合体材料例如可以包括合成材料、热固性塑料、尤其是环氧树脂、聚酯、酚醛树脂或氰酸盐、热塑性塑料、弹性体、尤其是硅酮、聚合物混合物、聚酰亚胺、尤其是 Kapton 或上述的和/或其它材料的混合物。除此以外尤其为了降低密度还可以使聚合材料包括至少一种填充材料、尤其是至少一种下面的填充材料空腔(例如通过发泡产生的空腔)、纤维、玻璃空心球、塑料空心球、挥发性填充材料(尤其是在聚合物络合期间或以后逸出或可去掉的填充材料)或上述的和/或其它填充材料的组合。备选或附加地也可以使适配体140包括环氧树脂-玻璃空心球混合物。也可以备选或附加地如上所述使适配体 140也包括多孔烧结的聚酰亚胺、尤其是上述的Vespel 。适配体、尤其是Vespel 适配层可以在继续处理之前也配有覆层，例如聚对二甲苯覆层。这种覆层例如可以构成用于这样封闭在适配体140的表面上的小孔，使得可以抑制粘结剂在下面的工艺步骤中渗漏。所述超声波换能器110 (除了适配体140和密封膜114以外)必要时还可以包括其它层，例如附加的适配层和/或均衡层和/或稳定元件，它们例如可以具有热的和/或机械的和/或声学的适配作用。这些其它层例如可以容纳在压电的换能器部件138与必要时覆层的适配体140之间和/或在适配体140与密封膜144之间。如果超声波换能器110包括金属材料，例如以金属壳体112的形式，则它们也可以通过密封膜144相对于正面118上的流体介质电绝缘。为此可以有利地使密封膜144完全或部分地由电绝缘材料制成。但是壳体112的导电的组成部分和/或导电薄膜或导电层也可以同时作为EMV措施、尤其作为屏蔽装置。
权利要求
1.用于在流体介质中使用的超声波换能器(110)，包括至少一个压电换能器元件 (138)和至少一个有利于在所述压电换能器元件(138)与流体介质之间的振动耦入的适配体(140)，还包括壳体(112)，其中，所述压电换能器元件(138)安置在所述壳体(112)中， 所述壳体(11 具有至少一个指向流体介质的开孔(122)，所述适配体(140)至少部分地安置到所述开孔(12 中，所述超声波换能器(110)还具有至少一个密封元件(146)，所述密封元件(146)这样密封在所述适配体(140)与所述壳体(11 之间的至少一个中间空间 (158)，使得所述壳体(112)的内部空间(128)至少在很大程度上相对于流体介质密封。
2.如前一项权利要求所述的超声波换能器(110)，其中，所述密封元件(146)具有一至少部分地遮盖所述适配体(140)和所述壳体(11 的一包围所述开孔(122)的端面(124) 的密封膜(144)，尤其是具有小于25 μ m厚度的密封膜(144)。
3.如前一项权利要求所述的超声波换能器(110)，其中，所述密封膜(144)具有至少一个金属膜和/或至少一个塑料膜。
4.如上述权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，所述密封元件(146) 包括至少一个至少部分地安置在所述壳体(112)与所述适配体(140)之间的去耦合元件 (114)，所述去耦合元件(114)被设置用于保证在所述壳体(11 与所述适配体(140)之间固体声至少部分地去耦合。
5.如前一项权利要求所述的超声波换能器(110)，其中，所述去耦合元件(114)具有弹性体材料，尤其是聚氨酯和/或硅酮材料、尤其是液态硅酮。
6.如前两项权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，所述去耦合元件 (114)具有至少一种肖氏A硬度小于40、优选小于25的塑料材料、尤其是弹性体材料。
7.如前三项权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，所述去耦合元件 (114)包括所述壳体(112)的内表面的至少一个加衬(116)。
8.如上述权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，在所述壳体(11 内部保留的空腔通过阻尼元件、尤其是阻尼填料(154)充满。
9.如上述权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，所述壳体(11 具有壳体套(132)、尤其金属套，所述壳体套具有指向流体介质的开孔(122)以及至少一个第二开孔(130)、尤其是背面开孔，所述第二开孔(130)通过至少一个封闭元件(134)封闭，所述压电换能器元件(138)的至少一个电连接触点(148，150)穿过所述第二开孔(130)伸到所述壳体(11 的外侧面上。
10.如前一项权利要求所述的超声波换能器(110)，其中，所述封闭元件(134)具有所述壳体(112)、尤其壳体套(132)的至少一个可弯曲的壁段(136)和/或至少一个封闭罩。
11.如上述权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)，其中，所述壳体(11 在外侧面上具有至少一个接口元件、尤其是环绕的边缘、优选卷曲边缘(1 )，用以与一测量腔、 尤其用于传导流体介质的流动管连接。
12.用于制造用于在流体介质中使用的超声波换能器(110)、尤其如上述权利要求中任一项所述的超声波换能器(110)的方法，其中，至少一个压电换能器元件(138)被安置到壳体(112)中，所述壳体(112)具有至少一个指向流体介质的开孔(122)，至少一个有利于在所述压电换能器元件(138)与流体介质之间的振动耦入的适配体(140)至少部分地被安置到所述开孔(122)中，至少一个密封元件(146)还与所述适配体(140)及所述壳体(112)这样连接，使得所述密封元件(146)密封在所述适配体(140)与所述壳体(112)之间的至少一个中间空间(158)，所述壳体(112)的内部空间(128)至少在很大程度上相对于流体介质密封。
13.如前一项权利要求所述的方法，其中，在连接步骤、优选唯一的连接步骤中所述适配体(140)通过所述密封元件(146)、尤其至少一个密封膜(144)和/或至少一个去耦合元件(114)与所述壳体(112)连接，其中，形成一个结构组件，所述结构组件包括至少三个相互连接的单个部件(112，140，144，114)。
14.如前两项权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一个密封膜(144)与所述壳体 (112)的一包围所述开孔(122)的端面(124)及所述适配体(140)的一表面连接，尤其是通过材料锁合连接和/或通过挤压，尤其在提高的温度下连接。
全文摘要
本发明涉及一个用于在流体介质中使用的超声波换能器(110)。该超声波换能器(110)包括至少一个压电换能器元件(138)和至少一个有利于压电换能器元件(138)与流体介质之间振动耦合的适配体(140)。该超声波换能器(110)还包括一个壳体(112)，其中压电换能器元件(138)安置在壳体(112)中。该壳体(112)具有至少一个指向流体介质的开孔(122)，其中适配体(140)至少部分地安置到开孔(122)中。该超声波换能器(110)还具有至少一个密封元件(146)，它至少这样密封适配体(140)与壳体(112)之间的中间空间(158)，使壳体(112)内部空间(128)至少很大程度上相对于流体介质密封。
文档编号G10K9/22GK102265332SQ200980152414
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月17日 优先权日2008年12月23日
发明者B·金茨, G·许夫特尔, M·赫斯特布林克, R·万贾, R·米勒, S·拉德万, T·朗 申请人:罗伯特·博世有限公司