專利名稱：用于在流體介質(zhì)中使用的超聲波換能器的制作方法
用于在流體介質(zhì)中使用的超聲波換能器
背景技術(shù)：
由現(xiàn)有技術(shù)已知用于在流體介質(zhì)中使用的不同類型的超聲波換能器。超聲波換能器在此通常被理解為ー個(gè)元件，該元件能夠?qū)⒊暡ㄐ盘柊l(fā)出到流體介質(zhì)中和/或從流體介質(zhì)接收超聲波信號并且例如轉(zhuǎn)換為電信號。這樣的超聲波換能器例如用在エ藝技術(shù)和/或汽車領(lǐng)域中的超聲波流量計(jì)中，例如用在流量計(jì)(Ultrasonic Flow Meter,超聲波流量 計(jì)，UFM)、尤其是用在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管和/或排氣歧管中。這樣的超聲波換能器的例子由DElO 2007 010 500AUDE 10 2007 037 088A1或由本發(fā)明申請人的同族的申請?zhí)枮镈E10 2008 055 126. O的在后公布的德語專利申請公開。這里描述的超聲波換能器也可以基本上在本發(fā)明的范圍中使用并且按照本發(fā)明改進(jìn)。超聲波換能器通常具有至少ー個(gè)電聲換能器元件、例如壓電換能器元件。然而尤其是在空氣或其它氣體中的流量測量中出現(xiàn)問題，即發(fā)現(xiàn)電聲換能器元件的材料與空氣之間的高的聲學(xué)阻抗差，這導(dǎo)致在電聲換能器元件和氣體之間耦合超聲波信號時(shí)的高耦合損失。相應(yīng)地，當(dāng)例如在流量測量時(shí)在內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)控制裝置的內(nèi)部由換能器信號推導(dǎo)出空氣量信號時(shí)，信號擺幅可能很弱。因此已知具有聲輻射諧振或匹配體、例如金屬隔膜或λ /4阻抗匹配層的超聲波換能器。這類超聲波換能器可以基本上在幾何結(jié)構(gòu)上任意地構(gòu)造，例如由上述的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)已知。在已知的超聲波換能器中通常使用殼體，在該殼體中接收換能器芯。在面向流體介質(zhì)的側(cè)上，該殼體具有ー個(gè)開ロ，在該開ロ內(nèi)部設(shè)有換能器芯的輻射面，通過該輻射面發(fā)出或接收超聲波信號。為了相對于流體介質(zhì)以介質(zhì)密封和/或壓カ密封的方式封閉殼體的內(nèi)部空間，由DE 10 2008 055126. O已知，開ロ完全或部分地通過密封膜繃緊。但是在此出現(xiàn)制造上的挑戰(zhàn)介質(zhì)像以往一樣能夠在密封膜的邊緣上進(jìn)入殼體的內(nèi)部空間中，這例如在內(nèi)燃機(jī)中的流量測量中可能被不利地發(fā)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此建議ー種在流體介質(zhì)中使用的超聲波換能器和傳感器裝置，其至少在很大程度上避免了已知的超聲波換能器和傳感器裝置的缺點(diǎn)。流體介質(zhì)可以尤其是氣體、例如空氣或廢氣。超聲波換能器和傳感器裝置可以相應(yīng)地尤其是用在超聲波流量計(jì)(UFM)中，例如用在汽車內(nèi)燃機(jī)中。變換的應(yīng)用領(lǐng)域是用于氣體或液體的傳感器，例如在エ藝技術(shù)中，尤其是用于過程控制，作為距離傳感器、作為液位傳感器或作為流量傳感器，例如用在化學(xué)和/或藥物エ業(yè)中。其它應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)藥技術(shù)、例如用于呼吸氣體監(jiān)控，或者能量技術(shù)、例如作為量熱計(jì)。建議的超聲波換能器包括至少ー個(gè)具有至少ー個(gè)內(nèi)部空間的殼體。殼體在此理解為至少部分地封閉的元件，其可以限定超聲波換能器本身的外部形狀并且可以使超聲波換能器至少部分地相對于機(jī)械載荷受保護(hù)。殼體可以例如如還要詳細(xì)說明那樣完全或部分地由塑料材料、例如熱塑性材料和/或由金屬材料制成。內(nèi)部空間通常被理解為至少部分地封閉的且至少部分地設(shè)置在殼體內(nèi)部的空間，其中也可以存在多個(gè)內(nèi)部空間。內(nèi)部空間例如可以如下面還要闡述的那樣至少近似圓柱形地構(gòu)成。超聲波換能器還包括至少ー個(gè)接收在內(nèi)部空間中的換能器芯，該換能器芯具有至少ー個(gè)電聲換能器元件。電聲換能器元件在此基本上被理解為任意的元件，其被配置用于將電信號轉(zhuǎn)化為聲學(xué)信號、尤其是超聲波信號或者反過來。例如，電聲換能器元件可以包括至少ー個(gè)壓電換能器元件。因此，在不限制電聲換能器元件的其它可能設(shè)計(jì)方案的情況下，術(shù)語“壓電體”或術(shù)語“電聲換能器元件”或術(shù)語“壓電陶瓷”在下面也作為電聲換能器元件的同義詞使用。變換地或附加地，電聲換能器元件也可以包括具有所述功能的其它元件。
除了至少ー個(gè)電聲換能器元件之外，換能器芯還包括另外的元件。尤其是換能器芯可以如下面還要詳細(xì)說明的那樣包括至少ー個(gè)匹配體，該匹配體被配置用于改善電聲換能器元件和流體介質(zhì)之間的聲學(xué)耦合。其尤其是在此可以是阻抗匹配體。優(yōu)選地，該阻抗匹配體具有聲學(xué)阻抗，該聲學(xué)阻抗位于電聲換能器兀件的聲學(xué)阻抗和流體介質(zhì)的聲學(xué)阻抗之間，理想地在這些聲學(xué)阻抗的幾何中點(diǎn)附近。在真實(shí)的超聲波換能器中并且尤其是在氣態(tài)的介質(zhì)時(shí)也可以使用具有其它的、大多較高的聲學(xué)阻抗的匹配體。匹配體也可以包括多種具有不同聲學(xué)阻抗的材料和/或ー種具有聲學(xué)阻抗梯度的材料。匹配體可以例如構(gòu)造為匹配層，對于這樣的匹配體的可能設(shè)計(jì)方案可以參考上面已經(jīng)引用的文獻(xiàn)DE 10 2007 010500AUDE 10 2007 037088A1和DE 10 2008 055 126.0。在那里使用的匹配體基本上也可以在本發(fā)明的范圍中使用。此外，換能器芯可以包括其它元件。例如在可選的匹配體和電聲換能器元件之間可以設(shè)置至少ー個(gè)補(bǔ)償體，尤其是至少ー個(gè)補(bǔ)償層。這樣的補(bǔ)償體可以例如阻止由于電聲換能器元件和匹配體的不同的熱膨脹系數(shù)弓I起的熱機(jī)械應(yīng)カ的建立，例如其方式是為補(bǔ)償體選擇ー個(gè)位于電聲換能器元件的熱膨脹系數(shù)和匹配體的熱膨脹系數(shù)之間的熱膨脹系數(shù)。例如，該補(bǔ)償體例如可以包括至少ー個(gè)粘接層。但是其它的設(shè)計(jì)方案基本上也是可能的。換能器芯可以尤其是具有至少ー個(gè)輻射面。輻射面在此基本上被理解為任意的面，通過該面能夠?qū)⒙晫W(xué)信號從換能器芯發(fā)出到流體介質(zhì)上，和/或換能器芯能夠通過該面從流體介質(zhì)接收聲學(xué)信號。所述至少一個(gè)輻射面可以面向流體介質(zhì)并且可以例如設(shè)置在殼體的開口內(nèi)部。殼體例如可以具有至少ー個(gè)面向流體介質(zhì)的開ロ，例如這樣ー個(gè)開ロ，該開ロ被殼體的殼體邊緣完全或部分地包圍。在開口內(nèi)部可以設(shè)置輻射面，其中，該輻射面優(yōu)選與殼體邊緣設(shè)置在同樣的平面中。其它的設(shè)計(jì)方案、例如不與殼體的殼體邊緣設(shè)置在同樣的平面中的設(shè)計(jì)方案也是可能的。殼體的至少ー個(gè)開ロ例如可以圓環(huán)形或多邊形地構(gòu)成，其至少部分地、優(yōu)選完全地通過至少ー個(gè)密封膜覆蓋。密封膜在此基本上被理解為任意的、膜狀的元件，其被設(shè)置用于使流體介質(zhì)的影響、例如壓カ影響和/或化學(xué)影響至少部分地遠(yuǎn)離內(nèi)部空間。膜狀的元件在此是這樣的元件，其橫向延展尺寸以至少ー個(gè)因子10、優(yōu)選以至少ー個(gè)因子100或至少ー個(gè)因子1000超過其厚度。密封膜可以例如包括塑料材料和/或金屬膜和/或陶瓷膜。例如，密封膜可以包括熱塑性材料或熱固性材料?？梢詥为?dú)或組合地使用的可能材料是聚醚醚酮(PEEK);聚苯硫醚(PPS);聚酰亞胺(尤其是Kapton );液晶聚合物(LiquidCrystal Polymer, LCP);碳氟化合物,例如特氟龍或聚四氟こ烯(PTFE)或例如全氟こ丙烯共聚物(FEP);聚萘ニ甲酸こニ醇酯(PEN)或其它塑料。但是所述材料和/或其它材料的組合也是可使用的。變換地或附加地，也可使用薄的金屬膜。另外也可以使用復(fù)合材料，例如具有多個(gè)膜層或類似物的 材料。另外可以設(shè)置至少ー個(gè)這樣的膜層作為涂層，其例如由金屬、陶瓷或塑料材料制成。密封膜還可以連帶包括粘接劑層，通過粘接劑層尤其是與封接材料無關(guān)地實(shí)現(xiàn)與殼體的力鎖合或材料鎖合的連接。至此，按照本發(fā)明的超聲波換能器首先例如與在后公布的申請?zhí)朌E 102008 055126. O德語專利申請類似地構(gòu)造。然而與在那里示出的超聲波換能器不同并且為了解決上面列舉的密封性問題，按照本發(fā)明建議，通過至少一個(gè)封接材料封接密封膜的邊緣。密封膜的邊緣在此可以理解為密封膜的邊界，即密封膜的橫向延伸長度的邊界。但是該邊緣也可以超過該邊界被至少ー個(gè)封接材料覆蓋。封接材料在此理解為基本上任意的材料，其能夠在可變形的狀態(tài)中、例如在液態(tài)、粘滯的或軟膏狀或以其它方式可變形的狀態(tài)中被施加到密封膜上。封接材料可以由此匹配于密封膜的邊緣的形狀。尤其地，封接材料也能夠完全或部分地?cái)D入到殼體和密封膜的邊緣之間的中間空間中和/或封閉密封膜的邊緣和殼體之間的縫隙。封接在此通常理解為ー種狀態(tài)，其中內(nèi)部空間通過封接材料至少部分地保護(hù)免受流體介質(zhì)的影響，例如免受化學(xué)影響和/或壓カ影響。封接材料可以尤其是包括至少ー個(gè)粘接劑。尤其是封接材料可以包括環(huán)氧樹脂和/或熱觸變的粘接劑。封接材料可以例如至少部分地構(gòu)造為履帯狀的、尤其是構(gòu)造為粘接履帯。封接材料可以作為粘接履帶環(huán)繞地或至少部分環(huán)繞地施加到密封膜的邊緣上。殼體可以尤其是具有指向流體介質(zhì)的、至少部分地環(huán)繞開ロ的殼體邊緣。密封膜可以至少部分地支承在殼體邊緣上，優(yōu)選這樣地支承在殼體邊緣上，使得密封膜的邊緣支承在殼體邊緣上。支承在此可以理解為直接或間接的支承，間接的支承例如是通過至少一個(gè)附加的粘接層和/或至少ー個(gè)粘接涂覆部的支承，粘接涂覆部可以設(shè)置在密封膜和殼體邊緣之間并且可以建立密封膜與殼體邊緣之間的連接。例如，密封膜可以與殼體邊緣材料鎖合地和/或力鎖合地和/或形狀鎖合地連接。附加地，如上所述，密封膜的邊緣通過至少一個(gè)封接材料封接，其中，優(yōu)選封接密封膜和殼體邊緣之間的縫隙和/或中間空間。殼體邊緣例如包括平的帽檐或彎曲的帽檐。密封膜可以在此跟隨殼體邊緣的走向并且例如構(gòu)造為平的或彎曲的。密封膜的邊緣例如可以基本上與殼體的殼體邊緣一起齊平，使得密封膜的邊緣至少不顯著地、即尤其是以少于Imm側(cè)向地突出超過殼體邊緣。在該情況中，例如所述至少一個(gè)封接材料可以同時(shí)地施加到密封膜的邊緣和殼體的殼體邊緣或者說殼體的棱邊上。殼體可以單件式地或多件式地構(gòu)成。如果殼體多件式地構(gòu)成，那么殼體例如包括至少ー個(gè)第一殼體件和至少ー個(gè)第二殼體件，其中，封接材料同時(shí)也可以建立第一殼體件和第二殼體件之間的材料鎖合的連接。附加地，可以可選地通過至少ー個(gè)另外的連接部將第一殼體件和第二殼體件相互連接，該另外的連接部基本上可以例如是材料鎖合的和/或力鎖合的和/或形狀鎖合的類型。在此特別優(yōu)選的是第一殼體件和第二殼體件之間的超聲波焊接部或卡鎖部。除了上述設(shè)計(jì)方案的一個(gè)或多個(gè)中的超聲波換能器，還提出一種傳感器裝置。該傳感器裝置可以尤其是配置成檢測流體介質(zhì)的至少ー個(gè)特性，例如流體介質(zhì)的液位和/或體積流量和/或質(zhì)量流量。其它的設(shè)計(jì)方案也是可能的。傳感器裝置包括至少ー個(gè)按照上述設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)方案的超聲波換能器。例如，傳感器裝置可以包括兩個(gè)或更多的超聲波換能器，以便例如通過測量傳播時(shí)間推導(dǎo)出流體介質(zhì)的流量。這樣的傳感器裝置基本上由現(xiàn)有技術(shù)公知。另外，傳感器裝置包括至少ー個(gè)傳感器殼體，其中，超聲波換能器與傳感器殼體連接。為了建立超聲波換能器和傳感器殼體之間的連接，例如又可以使用力鎖合和/或形狀鎖合和/或材料鎖合的連接。例如，超聲波換能器可以通過其殼體粘接在傳感器殼體中或者粘接在該傳感器殼體上。在此，特別優(yōu)選的是，超聲波換能器的封接材料以多功能的方式被利用并且同時(shí)引起超聲波換能器和傳感器裝置的殼體元件之間的材料鎖合的連接。在所述的傳感器裝置中，封接材料可以尤其是這樣地被配置，使得封接材料不突出于傳感器裝置或者僅以很小的程度突出于傳感器裝置，例如突出于面向 流體介質(zhì)的殼體邊緣。尤其地，傳感器殼體和/或超聲波換能器的殼體可以這樣地構(gòu)成，使得封接材料被接收在至少ー個(gè)凹部中。該凹部可以完全或部分地設(shè)置在傳感器殼體中和/或完全或部分地設(shè)置在殼體中和/或設(shè)置在殼體和傳感器殼體之間。例如該凹部可以包括槽、尤其是環(huán)繞的槽。在該環(huán)繞的槽中可以接收封接材料。相應(yīng)地，例如密封膜的邊緣可以彎曲進(jìn)入到至少ー個(gè)凹部中，以便通過至少一個(gè)封接材料被封接。傳感器殼體可以尤其是具有至少ー個(gè)接收部。超聲波換能器的殼體可以至少部分地接收在接收部中。例如，接收部可以包括傳感器殼體中的圓柱形的形狀，尤其是圓柱形的凹部。殼體可以這樣地接收在接收部中，使得在傳感器裝置通過流體介質(zhì)受到壓カ載荷時(shí)基本上沒有拉カ載荷出現(xiàn)在密封膜和/或封接材料上。這可以例如這樣地實(shí)現(xiàn)，即如上所述，封接材料和/或密封膜的邊緣至少部分地接收在至少ー個(gè)凹部、例如環(huán)繞的槽中。因此，例如設(shè)有殼體的帽檐，其中，密封膜的邊緣和/或封接材料設(shè)置在該帽檐上或旁，其中，帽檐貼靠在傳感器殼體上，例如在傳感器殼體的凹部中。在通過流體介質(zhì)的反壓載荷時(shí)，帽檐被壓到傳感器殼體上，使得不出現(xiàn)或僅出現(xiàn)密封膜和/或封接材料、例如粘接部的邊緣的很小的拉カ載荷。但是小的拉カ載荷在此要考慮。在純物理學(xué)上看，當(dāng)例如超聲波換能器的內(nèi)部稍微退讓和/或不具有無限高的E模量時(shí)，尤其是當(dāng)密封膜被張緊或至少完全地恰好被支承時(shí)，例如密封膜在傳感器裝置的壓カ載荷時(shí)可能始終承受拉力。然而這樣的載荷可以一定的程度上被忍受并且在術(shù)語“基本上沒有拉カ載荷”下是可忍受的。建議的超聲波換能器和建議的傳感器裝置相對于已知的超聲波換能器和已知的傳感器裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)。尤其是以該方式允許提供對介質(zhì)密封的超聲波換能器，其尤其是也可以用于在內(nèi)燃機(jī)和/或其它侵蝕環(huán)境中測量流量。在沒有所述的密封膜和封接部的情況下，超聲波換能器的內(nèi)部空間、例如超聲波換能器中的阻尼裝置或固體聲脫耦裝置遭受偶爾的、侵蝕性的流體介質(zhì)，例如在汽車進(jìn)氣歧管中含有的介質(zhì)諸如水分、油、廢氣部分、碳水化合物、酸或類似的侵蝕性介質(zhì)。然而對于換能器芯相對于殼體的脫耦通常需要軟的硅樹脂，硅樹脂不太抵抗這些介質(zhì)。然而密封膜本身通常遭受比較高的載荷，尤其是由于壓カ和/或溫度波動。這些載荷尤其是源于超聲波換能器中的材料、例如塑料的熱膨脹。相應(yīng)地，密封膜在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中容易在邊緣上通過介質(zhì)滲透。而通過膜邊緣的封接使超聲波換能器在機(jī)械上以及在其密封性上穩(wěn)定。所述的超聲波換能器的制造也允許輕易地實(shí)現(xiàn)。所述至少一個(gè)封接元件可以同時(shí)用于將超聲波換能器固定在傳感器殼體中和/或用于使超聲波換能器相對于傳感器殼體密封。封接和固定和/或密封的同時(shí)制造顯著地簡化了制造中的エ藝順序


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在以下的說明書中詳細(xì)地闡述。圖I示出傳統(tǒng)的超聲波換能器的實(shí)施例；圖2A和2B示出按照本發(fā)明的超聲波換能器和按照本發(fā)明的傳感器裝置的實(shí)施例；圖3和4示出按照本發(fā)明的超聲波換能器和按照本發(fā)明的傳感器裝置的變型實(shí)施例；和圖5至7示出具有多件式殼體的超聲波換能器的不同實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在圖I中以剖視圖示出超聲波換能器110的按照現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例。該超聲波換能器110可以例如基本上相當(dāng)于在DE 10 2008 055 126. O中示出的超聲波換能器。但是其它的設(shè)計(jì)方案也是可能的。超聲波換能器110包括一個(gè)殼體112，該殼體在示出的實(shí)施例中僅僅部分地被示出。該殼體112基本上構(gòu)造為套筒狀的并且具有ー個(gè)內(nèi)部空間114。該內(nèi)部空間114又在其面向流體介質(zhì)116的側(cè)上具有一個(gè)開ロ 118，該開ロ例如可以具有圓形或多邊形的橫截面。該開ロ 118被殼體邊緣120環(huán)形地包圍，該殼體邊緣在示出的實(shí)施例中向后遠(yuǎn)離流體介質(zhì)116地彎曲。在示出的實(shí)施例中，在內(nèi)部空間114內(nèi)部例如與超聲波換能器110的軸線124同軸地接收ー個(gè)換能器芯122。該換能器芯122包括一個(gè)電聲換能器元件126、例如壓電換能器元件。該換能器芯122在其面向流體介質(zhì)116的側(cè)上還包括一個(gè)匹配體128，該匹配體如上所示用于改善換能器芯122和/或電聲換能器元件126與流體介質(zhì)116之間的聲學(xué)耦合。匹配體例如可以構(gòu)造為λ/4阻抗匹配層，對于匹配體128的可能設(shè)計(jì)方案可以參考DE102007 037 088AU DE 10 2007 010 500Α1 或 DE 10 2008 055126.0。其它設(shè)計(jì)方案也是可能的。在可選的匹配體128和電聲換能器元件126之間可以接收另外的元件，例如用于匹配熱膨脹系數(shù)的補(bǔ)償層。換能器芯122還可以包括附加的元件。在換能器芯122與殼體112之間可以設(shè)置ー個(gè)中間空間130。該中間空間130可以如在圖I中所示完全或部分地用脫耦元件132填充。該脫耦元件132用于阻尼殼體112和換能器芯122之間的固體聲傳遞，該固體聲傳遞例如可能導(dǎo)致傳感器裝置中的多個(gè)超聲波換能器110之間的寄生超聲波回路。這種脫耦元件132的例子是具有硅樹脂材料的脫耦裝置。脫耦元件132可以例如構(gòu)造為澆注件或也可以完全或部分地構(gòu)造為插入件。另外可選地在示出的實(shí)施例中在換能器芯122背面設(shè)置阻尼材料134。該阻尼材料134可以例如作為阻尼填料在背面安設(shè)在殼體112中并且用于加速換能器芯122的衰減性能。在面向流體介質(zhì)116的側(cè)上，換能器芯122具有一個(gè)輻射面136，即ー個(gè)面，通過該面能夠向流體介質(zhì)116發(fā)出超聲波信號和/或從流體介質(zhì)116接收超聲波信號。該輻射面136在示出的實(shí)施例中與殼體邊緣120的端面138在ー個(gè)平面中。脫耦元件132也優(yōu)選在該平面中結(jié)束。超聲波換能器110的整個(gè)面向流體介質(zhì)116的側(cè)在此在示出的實(shí)施例中被密封膜142形式的密封元件140繃緊，該密封膜覆蓋開ロ 118。該密封膜142可以例如與輻射面136和/或殼體邊緣120粘接。按照圖I的超聲波換能器110是虛構(gòu)的超聲波換能器，對于本發(fā)明可以從該虛構(gòu)的超聲波傳感器出發(fā)，但是它在這種方式上尚未在市場上普及或者以其它方式公知或傳播。但是如在下面詳細(xì)說明那樣，按照圖I的超聲波換能器110可以以各種方式按照本發(fā)明改進(jìn)。按照圖I的超聲波換能器110可以在很多方面改變。例如，匹配體128可以通過各種方式構(gòu)造并且可以尤其是含有ー個(gè)具有設(shè)有空穴的材料的阻抗匹配層，例如多空陶瓷、發(fā)泡塑料、尤其是熱固性塑料或熱塑性塑料或一般地含有聚合物或者一般地含有設(shè)有空心體的塑料。作為空心體尤其是可以考慮塑料或空心玻璃體、優(yōu)選空心玻璃球。如果塑料用作基 本材料，那么例如可以使用填充有空心玻璃球的環(huán)氧樹脂材料。變換地提供聚酰亞胺，例如發(fā)泡的和/或燒結(jié)的或多孔的聚酰亞胺，例如杜邦公司的Kapton 或Werkstoff Vespel 。匹配體128可以含有其他材料或區(qū)域，其例如能夠在多個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)電聲換能器元件126、例如壓電體向著流體介質(zhì)116、例如空氣的阻抗匹配，或者在其熱膨脹特性、其柔性或能力、應(yīng)カ方面減少，用于保護(hù)換能器芯122的整個(gè)復(fù)合體和尤其是電聲換能器元件免于過夾紫。變換地，換能器芯122或換能器芯122的耦合輸入組件也可以包括以其它方式聲輻射的諧振或匹配體，例如金屬隔膜或具有金屬隔膜的金屬體。在這種情況中，例如通過將例如壓電元件的振幅小但カ大的徑向或彎曲運(yùn)動轉(zhuǎn)化為カ小但振幅大的振動，能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配，如對于到空氣或其它氣體中的耦合輸入所需的那樣。換能器芯122、即例如壓電陶瓷和耦合輸入組件通過脫耦元件132固定在殼體112中。脫耦元件132可以優(yōu)選硅樹脂式地構(gòu)成。也可以包括填充有顆粒或空穴或中空體的材料，例如同樣包括娃樹脂材料。殼體112本身可以例如由塑料材料和/或金屬材料制成。在流體介質(zhì)116的方向上，密封膜142封閉超聲波換能器110。如上已經(jīng)描述那樣，對于密封膜142基本上考慮很多材料，例如PEEk、PPS、聚酰亞胺(例如Kapton )、LCP、PTFE, FEP, PEN或其它塑料或薄的金屬膜、具有金屬、陶瓷或塑料狀涂層的膜、具有粘接劑層的膜或所提到和/或其它材料的組合。密封膜142優(yōu)選具有小于100 μ m的厚度，特別優(yōu)選小于25 μ m的厚度。在示出的實(shí)施例中，前部的套區(qū)域如上所述舉例地構(gòu)造為“帽檐” 144并且向后彎曲。該設(shè)計(jì)方案具有優(yōu)點(diǎn)，即売體邊緣110在反壓載荷時(shí)貼靠在(在圖I中未示出的)傳感器殼體上，使得在這種情況下不出現(xiàn)設(shè)置在那里的粘接的拉カ載荷。殼體112的帽檐幾何結(jié)構(gòu)和傳感器殼體的幾何結(jié)構(gòu)可以此外這樣地構(gòu)成，從而得到用于粘接的槽和榫頭。這在使用熱觸變粘接劑的情況中是不一定需要的。作為粘接劑可以例如使用環(huán)氧樹脂材料。在圖I中示出的超聲波換能器110形成用于本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)。相應(yīng)地，按照圖I的超聲波換能器110的之前描述的特征也可選地存在于按照本發(fā)明的超聲波換能器110中。在圖2A和2B中示出按照圖I的超聲波換能器110的按照本發(fā)明的變型。同時(shí)，在那里示出的超聲波換能器110被接收在傳感器裝置148的傳感器殼體146中，使得該視圖同時(shí)示出按照本發(fā)明的傳感器裝置148的實(shí)施例。傳感器裝置148可以例如包括多個(gè)超聲波換能器110，例如多個(gè)用于在流體介質(zhì)116中測量傳播時(shí)間的超聲波換能器110。在此，圖2A示出超聲波換能器110的不意的總視圖，而圖2B僅不出在圖2A中以附圖標(biāo)記150表不的在超聲波換能器110與傳感器殼體146之間的過渡區(qū)域的放大視圖。如在圖2A中可見，在示出的實(shí)施例中，超聲波換能器110被接收在傳感器殼體146的接收部160中。例如該接收部160可以包括柱形的凹部。該接收部160可以例如這樣地構(gòu)成，使得超聲波換能器110在流體介質(zhì)116的側(cè)上與傳感器殼體146齊平地結(jié)束。但是其它設(shè)計(jì)方案也是可能的。接收部160或者說傳感器殼體146優(yōu)選在超聲波換能器110的殼體邊緣120的區(qū)域中具有一個(gè)凹部162。殼體邊緣120的帽檐144優(yōu)選接收在該凹部122中。例如，密封膜142能夠與殼體112的殼體邊緣120齊平地結(jié)束。尤其是由在圖2B中的放大視圖得出那樣，在按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案中，密封膜142的邊緣通過封接材料164封接。該封接材料164可以例如包括粘接劑。在示出的實(shí)施例中，封接材料164例如以粘接履帶166的形式構(gòu)成。在此示出粘接 履帶166的兩種可能的直徑，其中，以附圖標(biāo)記168表示具有較小的第一直徑的粘接履帶并且以附圖標(biāo)記170表示具有較大的第二直徑的粘接履帶170。粘接履帶170在此用虛線示出，而粘接履帶158用實(shí)線示出。這些直徑可以變換地使用。例如，粘接履帶168可以具有O. 89mm的直徑，而粘接履帶170可以具有2_的直徑并且例如可以在其它的區(qū)域中覆蓋殼體112的殼體邊緣120。圖2中的所有的尺寸數(shù)據(jù)都理解為舉例的并且以毫米單位給出。優(yōu)選地，粘接履帶166這樣地確定尺寸，使得它完全被接收在傳感器殼體146的可選的凹部162中。在圖2A和2B中也舉例地不出具有兩個(gè)不冋的可能的粘接履帶直徑的可能的專門的幾何造型。如果以不同于在示出的設(shè)計(jì)方案中的方式實(shí)現(xiàn)超聲波換能器110的安裝，例如以顛倒的“頭上”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，那么作為粘接履帶166的粘接劑優(yōu)選理解為熱觸變的粘接齊IJ，其通過溫度、即在硬化時(shí)維持其形狀。殼體邊緣120的帽檐144與密封膜142的邊緣ー起優(yōu)選完全沉入到粘接履帶166的粘接劑床中。密封膜142可以例如通過拉深エ藝在換能器制造時(shí)圍繞帽檐144的輪廓拉深。粘接劑量和粘接劑定位在施加粘接履帶166時(shí)例如借助分散過程這樣地確定尺寸，使得一方面膜端部完全被粘接劑包圍并且另一方面優(yōu)選同時(shí)使殼體112相對于傳感器殼體146持久地密封。在圖3中以與圖2B類似的視圖示出按照圖2A和2B的實(shí)施例的變型。又示出具有凹部162的傳感器殼體146，超聲波換能器110以其殼體112被插入到凹部中。在該實(shí)施例中示出，超聲波換能器110不是必須在流體介質(zhì)116的側(cè)上與傳感器殼體146齊平地結(jié)束,而是也可以例如向內(nèi)錯(cuò)位地沉入到傳感器殼體146中地被接收在接收部160中。另外在圖3中示出，帽檐144不是必須向后彎曲，而是也可以例如構(gòu)造成平面的。與在圖2A和2B中的設(shè)計(jì)方案不同，在按照圖3的實(shí)施例中設(shè)有兩個(gè)粘接履帶166。例如，這些粘接履帶166中的一個(gè)承擔(dān)以下任務(wù)，即封接密封膜142的邊緣，而這些粘接履帶166中的另ー個(gè)能夠?qū)⒊暡〒Q能器110與傳感器殼體146連接和/或能夠?qū)崿F(xiàn)殼體112和傳感器殼體146之間的密封。該實(shí)施例示出提到的任務(wù)也可以可選地由多個(gè)元件、例如多個(gè)粘接履帶承擔(dān)。粘接履帶166可以例如又具有O. 89的直徑。圖3中的所有數(shù)據(jù)又以毫米為単位。在圖4中示出按照圖3的傳感器裝置148的變型，其中僅設(shè)有一個(gè)單個(gè)的粘接履帶166。該單個(gè)的粘接履帶166在示出的實(shí)施例中承擔(dān)封接密封膜142的邊緣的功能。另夕卜，該粘接履帶以多功能的方式承擔(dān)傳感器殼體112在接收部160中的粘接和/或殼體112相對于傳感器殼體160的密封的功能。與圖3不同,在此可選地,傳感器殼體146中的凹部164也倒圓地構(gòu)成。粘接履帶166可以例如又具有O. 89mm的直徑。但是一般而言要指出，在這些實(shí)施例和其它實(shí)施例中，粘接履帶166的幾何結(jié)構(gòu)和/或其位置可以強(qiáng)烈地取決于專門的粘接劑特性，使得也可以與提到的尺寸明顯不同。在目前的實(shí)施例中示出，傳感器殼體112可以基本上單件式地構(gòu)成。而在圖5至6中示出按照本發(fā)明的超聲波換能器110的實(shí)施例，其中殼體112多件式地構(gòu)成。所示的超聲波換能器110又可以也是傳感器裝置148的組成部分。圖5和6示出實(shí)施例，其中殼體112包括第一殼體件172和第二殼體件174。例如，殼體112可以構(gòu)造為雙換能器套。在面向流體介質(zhì)116的區(qū)域(其中密封膜142與殼體112連接)中可以可選地又設(shè)置ー個(gè)凹部162，該凹部例如可以構(gòu)造在第一殼體件172和/或第二殼體件174中。在凹部162中可以完全或部分地接收封接材料164。封接材料164可以例如又構(gòu)造為粘接劑、例如粘接履帶166。相應(yīng)地，封接材料164在示出的實(shí)施例中又用于多種功能。這樣其不僅密封密封膜142的邊緣，而且也在殼體件172和174的壁之間 密封。在圖5中設(shè)有ー個(gè)簡單的雙壁套作為殼體112，而圖6又示出進(jìn)ー步安裝超聲波換能器Iio的可能性，例如在傳感器裝置148的傳感器殼體146中。例如，為此目的在圖6中可以設(shè)置殼體112在傳感器殼體146的接收部160中的卡鎖裝置176。該卡鎖裝置176可以例如用于預(yù)固定，該預(yù)固定例如可以通過另外的密封粘接部178補(bǔ)充。后者在其功能上與膜密封通過封接材料164脫耦。在圖7中不出超聲波換能器110和傳感器裝置148的相對于圖6變形的實(shí)施例。脫耦元件132在圖7中未示出，但是可以可選地附加被設(shè)置。在這里也再次設(shè)有殼體112的兩個(gè)殼體件172、174，它們相互通過封接材料164連接。但是在此示出，即便在多件式的殼體112時(shí)殼體件172、174之間的連接也可以完全或部分地通過其他的連接實(shí)現(xiàn)。作為封接材料164的變換或附加，可以例如設(shè)置ー個(gè)或多個(gè)另外的連接。例如，兩個(gè)殼體件172、174可以カ鎖合地和/或形狀鎖合地和/或材料鎖合地相互連接。在圖7中舉例地示出超聲波焊接部180，例如在相應(yīng)的臺肩182和/或另ー個(gè)相應(yīng)的、能夠?qū)崿F(xiàn)這種連接的輪廓上。對于其它可能的細(xì)節(jié)可以參考以上描述。
權(quán)利要求
1.用于在流體介質(zhì)(116)中使用的超聲波換能器(110)，該超聲波換能器包括至少ー個(gè)殼體(112)，所述殼體具有至少ー個(gè)內(nèi)部空間(114)，所述超聲波換能器還包括至少ー個(gè)接收在所述內(nèi)部空間(114)中的換能器芯(122)，所述換能器芯具有至少ー個(gè)電聲換能器元件(126)，其中，所述殼體(112)具有至少ー個(gè)面向流體介質(zhì)(116)的開(118)，所述開(118)至少部分地通過至少ー個(gè)密封膜(142)覆蓋，其中，所述密封膜(142)的邊緣通過至少ー個(gè)封接材料(164)封接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲波換能器(110)，其中，所述封接材料(164)包括粘接劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的超聲波換能器(110)，其中，所述封接材料(164)包括環(huán)氧樹脂和/或熱觸變的粘接劑。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的超聲波換能器(110)，其中，所述封接材料(164)至少部分地構(gòu)造為履帯狀的，尤其是構(gòu)造為粘接履帶(166)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的超聲波換能器(110)，其中，所述殼體(112)具有ー個(gè)面向流體介質(zhì)(116)的、至少部分地環(huán)繞所述開(118)的殼體邊緣(120)，其中，所述密封膜(142)至少部分地支承在所述殼體邊緣(120)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的超聲波換能器(110)，其中，所述殼體邊緣(120)具有ー個(gè)平的帽檐(144)或ー個(gè)彎曲的帽檐(144)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的超聲波換能器(110)，其中，所述密封膜(142)的邊緣基本上與所述殼體(112)的殼體邊緣(120) —起結(jié)束。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的超聲波換能器(110)，其中，所述殼體(112)包括至少ー個(gè)第一殼體件(172)和至少ー個(gè)第二殼體件(174)，其中，所述封接材料(164)同時(shí)建立所述第一殼體件(172)和所述第二殼體件(174)之間的材料鎖合的連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的超聲波換能器(110)，其中，所述第一殼體件(172)和所述第二殼體件(174)通過至少ー個(gè)另外的連接部、尤其是超聲波焊接部(180)和/或卡鎖部(176)相互連接。
10.傳感器裝置(148)，包括至少ー個(gè)根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的超聲波換能器(110)，還包括至少ー個(gè)傳感器殼體(146)，其中，所述超聲波換能器(110)與所述傳感器殼體(146)連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的傳感器裝置(148)，其中，所述封接材料(164)同時(shí)引起所述超聲波換能器(110)和所述傳感器殼體(146)之間的材料鎖合的連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的傳感器裝置(148)，其中，所述傳感器殼體(146)和/或所述殼體(112)這樣地構(gòu)成，使得所述封接材料(164)被接收在至少ー個(gè)凹部(162)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任ー項(xiàng)的傳感器裝置(148)，其中，所述傳感器殼體(146)具有至少ー個(gè)接收部(160)，所述殼體(112)至少部分地被接收在所述接收部(112)中，使得在所述傳感器裝置(148)通過流體介質(zhì)(116)受到壓力載荷時(shí)基本上沒有拉カ載荷出現(xiàn)在所述密封膜和/或所述封接材料(164)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在流體介質(zhì)(116)中使用的超聲波換能器(110)。該超聲波換能器包括至少一個(gè)殼體(112)，所述殼體具有至少一個(gè)內(nèi)部空間(114)。所述超聲波換能器(110)還包括至少一個(gè)接收在所述內(nèi)部空間(114)中的換能器芯(122)，所述換能器芯具有至少一個(gè)電聲換能器元件(126)。所述殼體(112)具有至少一個(gè)面向流體介質(zhì)(116)的開口(118)。所述開口(118)至少部分地通過至少一個(gè)密封膜(142)覆蓋。所述密封膜(142)的邊緣在此通過至少一個(gè)封接材料(164)封接。
文檔編號G01F1/66GK102667417SQ201080049160
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者B·金茨, G·許夫特爾, M·赫斯特布林克, R·萬賈, R·米勒, S·拉德萬, T·朗 申請人:羅伯特·博世有限公司