Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einer Piezokeramik und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschallwandlers.

Ultraschallwandler, welche inzwischen in vielen Wasser- oder Wärmemengenzählern Einsatz finden und die klassischen mechanischen Durchflussmengenzähler mehr und mehr ersetzen, basieren in der Regel auf dem simplen Verbund einer aktiven Piezokeramikkomponente mit einer schalldurchlässigen Koppelschicht, z.B. einer Edelstahlmembran.

Für die elektrische Kontaktierung der Piezokomponente existieren verschiedene technische Lösungen. Eine Möglichkeit besteht in der Nutzung von Federkontakten, die allerdings im Hin- blick auf die Lebensdauer ein Risiko hinsichtlich Kontakt-Korrosion darstellen können. Der Kontakt und die Berührungsstellen unterliegen im Betrieb einer dynamischen Beanspruchung, was langfristig zu einer Änderung der Übergangswiderstände führen kann. Das Design und die Fertigung derartiger Kontakte sind sehr anspruchsvoll. Eine gleichbleibende Qualität (An- druck) ist für die Funktion der Wandler zwingend erforderlich, um einen wartungsarmen Betrieb mit hoher Lebensdauer zu gewährleisten. In vielen Ultraschallwandlern wird die Kontaktierung auch mittels Löten von Drähten realisiert. Die Lötstellen auf der Piezokeramik stellen zusätzli- che Massen dar, die einen Einfluss auf die Schwingdynamik des Wandlers haben. Speziell manuelle Lötprozesse unterliegen subjektiven Einflüssen und führen zu hohen Fertigungskos- ten.

Die DE 101 58 015 A1 offenbart einen solchen Ultraschallwandler, insbesondere für den Ein- satz in einem Durchflussmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium.

Eine Durchflussmengenmesseinrichtung ist aus der EP 2 267 416 A1 bekannt.

Die DE 198 20 208 A1 offenbart einen piezoelektrischen Schwinger, bei dem die Kontaktierung des piezoelektrischen Elements über eine zweipolige Zuführungsleitung erfolgt. Wie oben be- schrieben, wirkt sich die dabei erforderliche Ausbildung von Lötstellen zur elektrischen Verbin- dung der Elektroden der Piezokeramik und der Zuführungsleitung nachteilig auf die Schwing- dynamik des Ultraschallwandlers aus. Die Lötstellen sind dabei für jeden Pol der Zuführungs- leitung gesondert auszubilden, was zu hohen Fertigungskosten führt.

Der Markt für Ultraschallwandler in Smart Metering Anwendungen unterliegt einem extremen Preisdruck. Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler mit hervorragender Medienbeständigkeit, verbes- serter Schwingdynamik und einfacherem Aufbau durch Reduzierung der Anzahl von Einzeltei- len bereitzustellen, sodass der Ultraschallwandler in einer vollautomatisierten Fertigung her- stellbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe offenbart die Erfindung einen Ultraschallwandler, insbesondere zur Fluidmengenmessung, gemäß Anspruch 1. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler um- fasst ein Gehäuse, in welchem ein Kontaktelement und eine Piezokeramik angeordnet sind, wobei die Piezokeramik zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität umfasst, die auf verschie- dene Seiten der Piezokeramik aufgebracht sind, wobei Kontaktflächen zur elektrischen Kon- taktierung beider Elektroden auf derselben Seite der Piezokeramik angeordnet sind, und das Kontaktelement wenigstens zwei Kontaktabschnitte unterschiedlicher Polarität aufweist, die mit den Kontaktflächen beider Elektroden entsprechender Polarität in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Dadurch ist es möglich, die beiden Elektroden über dieselbe Seite der Piezo- keramik elektrisch zu kontaktieren, sodass der Verbindungaufwand durch Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Bauteilen zur Verkabelung deutlich sinkt. Über die beiden Kontakt- abschnitte des Kontaktelements können die Kontaktflächen der Piezokeramik besonders günstig mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Kontaktelements, das zwei Kontaktabschnitte aufweist, ein direk- tes Gegenstück zu den Elektroden der Piezokeramik bereitgestellt werden, was den ferti- gungstechnischen Aufwand bei der Kontaktierung der Elektroden der Piezokeramik verringert.

Es kann sinnvoll sein, wenn die jeweiligen Kontaktabschnitte des Kontaktelements in flächi gem Kontakt mit den entsprechenden Kontaktflächen der Elektroden stehen. Durch den flä- chigen Kontakt kann eine zuverlässige Kontaktierung der Elektroden ohne Einbringung von Zusatzmasse realisiert werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn eine von der Piezokeramik abweisende Seite der ersten Elekt- rode die Kontaktfläche der ersten Elektrode bildet. Dadurch kann die erste Elektrode über de- ren Rückseite elektrisch kontaktiert werden.

Es kann sich aber auch als nützlich erweisen, wenn die erste Elektrode eine erste Seite der Piezokeramik teilweise bedeckt und/oder kontaktiert, wobei die erste Elektrode vorzugsweise mittig auf der ersten Seite der Piezokeramik angeordnet ist, bevorzugt derart, dass auf der ersten Seite der Piezokeramik eine ringförmige Fläche verbleibt, die nicht von der ersten Elekt- rode bedeckt ist. Diese Ausführung begünstigt die symmetrische Anregung der Piezokeramik bei Anlage einer elektrischen Wechselspannung an die Elektroden.

Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die zweite Elektrode eine zweite Seite der Piezokeramik vorzugsweise vollflächig bedeckt und/oder kontaktiert, wobei bevorzugt wenigstens eine Kon- taktfläche der zweiten Elektrode auf der ersten Seite der Piezokeramik angeordnet ist und durch einen Umkontakt mit der zweiten Elektrode elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Umkontakt vorzugsweise über eine dritte Seite der Piezokeramik verläuft. Der Umkontakt bie- tet eine hervorragende Möglichkeit, die Kontaktfläche der zweiten Elektrode von dem elektrisch wirksamen Bereich der zweiten Elektrode zu trennen.

Es kann sich auch als hilfreich erweisen, wenn die zweite Elektrode zwei, drei, vier oder mehr Kontaktflächen aufweist, die vorzugsweise identisch ausgebildet und/oder symmetrisch und/o- der äquidistant um die erste Elektrode angeordnet sind, bevorzugt randseitig auf der ersten Seite der Piezokeramik. Diese Ausführung begünstigt die Erzeugung einer besonders sym- metrischen Schwingung der Piezokeramik.

Es kann nützlich sein, wenn die Piezokeramik als Piezokeramikscheibe oder -platte ausgebil- det ist und/oder sich in einer Ebene erstreckt. Derartige Gestaltungsformen sind besonders kompakt und kostengünstig aus piezoelektrischem bzw. piezokeramischem Material herstell bar.

Es kann auch sinnvoll sein, wenn das Gehäuse aus Keramik wie beispielsweise Alumini- umoxid oder aus Kunststoff wie beispielsweise PPS hergestellt ist, vorzugsweise in einem Gieß- bzw. Spritzgussverfahren.

Es kann sich überdies als praktisch erweisen, wenn sich die Kontaktabschnitte auf derselben Oberfläche des Kontaktelements und/oder in derselben Ebene befinden. Dadurch ist eine be- sonders einfache Kontaktierung der Kontaktflächen beider Elektroden der Piezokeramik mög- lich.

Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn das Kontaktelement topfförmig ausgebildet ist, wobei die Kontaktabschnitte am Boden des Kontaktelements angeordnet sind und über vom Boden vorstehende Randabschnitte des Kontaktelements elektrisch kontaktierbar sind. Diese Bau- form des Kontaktelements ist besonders stabil und bietet durch die vom Boden vorstehende Randabschnitte des Kontaktelements eine Auflagefläche für einen Deckel. Durch den Deckel kann das die Piezokeramik aufnehmende Gehäuse einerseits verschlossen werden, anderer- seits kann durch den Deckel eine Kontaktierung der Randabschnitte des Kontaktelements be- werkstelligt werden.

Es kann nützlich sein, wenn das Kontaktelement einen Teil des Gehäuses bildet und/oder als Membran ausgebildet ist, über welche die akustische Kopplung der Piezokeramik erfolgt, wo bei die Piezokeramik vorzugsweise vollflächig mit dem Kontaktelement verklebt ist. Bei dieser Ausführung kann die Anzahl der Bauteile minimiert werden.

Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Kontaktabschnitte als Beschichtung oder Metalli- sierung auf das Kontaktelement aufgebracht sind oder durch Einbettung elektrisch leitfähiger Materialien, vorzugsweise in Partikelform, in das Kontaktelement eingearbeitet sind. Insbeson- dere kann das Kontaktelement aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, wo bei im Nachgang die entsprechenden Kontaktabschnitte durch die genannten Techniken aus- gebildet werden. Dadurch lassen sich mit geringem Aufwand viele verschiedene Ausführun- gen von Kontaktelementen hersteilen.

Es kann aber auch von Nutzen sein, wenn das Gehäuse einen Deckel mit Elektroden unter- schiedlicher Polarität aufweist, wobei die Elektroden bei geschlossenem Deckel in elektrisch leitender Verbindung mit den Kontaktabschnitten entsprechender Polarität stehen, sodass die Piezokeramik über die Elektroden des Deckels mit einer Wechselspannung beaufschlagbar ist. Bei dieser Ausführung sind die Piezokeramik und das Kontaktelement im Inneren eines geschlossenen Gehäuses geschützt. Überdies ist die Herstellung des Kontakts zwischen der Piezokeramik und dem Kontaktelement an den Schließzustand des Deckels gekoppelt, sodass bereits optisch - nämlich durch Überprüfung des Schließzustands des Deckels - auch die Her- stellung des Kontakts zwischen der Piezokeramik und dem Kontaktelement verifiziert werden kann.

Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn die Elektroden bei geschlossenem De- ckel an der Außenseite des Deckels angeordnet sind und vorzugsweise über Durchkontaktie- rung mit Anschlüssen entsprechender Polarität an der Innenseite des Deckels in elektrisch leitender Verbindung stehen, wobei die Anschlüsse an der Innenseite des Deckels bei ge- schlossenem Deckel mit den Kontaktabschnitten entsprechender Polarität in elektrisch leiten der Verbindung und/oder in Kontakt stehen. Bei dieser Ausführung kann die Beaufschlagung der Piezokeramik mit einer elektrischen Wechselspannung besonders einfach und komforta- bel erfolgen, während die Piezokeramik und das Kontaktelement im Inneren eines geschlos- senen Gehäuses geschützt sind. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers nach der vorangehenden Ausführung, umfassend die Schritte: a. Anordnen der Piezokeramik in dem Gehäuse, sodass die Kontaktflächen der Piezoke- ramik mit den Kontaktabschnitten entsprechender Polarität des Kontaktelements in elektrisch leitendem Kontakt stehen; b. Verschließen des Gehäuses mit dem Deckel.

Die vorstehend genannten Vorteile zur vorangehenden Ausführung des Ultraschallwandlers gelten für das Verfahren zu dessen Herstellung entsprechend.

Wichtige Begriffe und Definitionen im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung wer- den nachstehend erläutert:

Begriffe und Definitionen

Der Begriff Fluid bezeichnet eine Flüssigkeit oder ein Gas.

Der Begriff Piezokeramik bezeichnet ein piezoelektrisches Element, das insbesondere schei- benförmig ausgebildet ist und sich vorzugsweise in einer Ebene erstreckt.

Die Piezokeramik kann folgende Merkmale aufweisen:

Die Piezokeramik besteht aus einem piezokeramischen Material.

Die Piezokeramik ist als Scheibe oder Platte ausgebildet.

Die Piezokeramik umfasst eine erste Seite und eine davon abweisende zweite Seite, wobei die erste Seite und die zweite Seite vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Die Piezokeramik weist eine Kreisscheibenform oder eine flachzylindrische Form auf, deren axialen Endseiten die erste und zweite Seite der Piezokeramik bilden, wobei die Mantelfläche eine dritte Seite der Piezokeramik bildet.

Die erste Elektrode kann folgende Merkmale aufweisen:

Die erste Elektrode weist eine Kreisscheibenform auf.

Die erste Elektrode ist mittig auf der ersten Seite der Piezokeramik angeordnet. Die erste Elektrode ist mit ihrer gesamten Fläche auf die erste Seite der Piezokeramik aufgebracht, vorzugsweise durch einen Sputter-Prozess.

Die erste Elektrode bedeckt die erste Seite der Piezokeramik teilweise, sodass außer- halb der ersten Elektrode ein vorzugsweise ringförmiger Rand auf der ersten Seite der Piezokeramik verbleibt, der nicht von der ersten Elektrode bedeckt ist.

Die erste Elektrode weist auf ihrer von der Piezokeramik abweisenden Seite eine Kon- taktfläche zur elektrischen Kontaktierung der ersten Elektrode auf.

Die zweite Elektrode kann folgende Merkmale aufweisen:

Die zweite Elektrode weist eine Kreisscheibenform auf.

Die zweite Elektrode ist auf der zweiten Seite der Piezokeramik angeordnet.

Die zweite Elektrode bedeckt die zweite Seite der Piezokeramik vollflächig.

Die zweite Elektrode ist mit ihrer gesamten Fläche auf die zweite Seite der Piezokera- mik aufgebracht, vorzugsweise durch einen Sputter-Prozess.

Die zweite Elektrode umfasst wenigstens eine Kontaktfläche, die auf derselben Seite der Piezokeramik angeordnet ist wie eine Kontaktfläche der ersten Elektrode, wobei die Kontaktfläche über einen Umkontakt mit dem auf der zweiten Seite der Piezokera- mik angeordneten Teil der zweiten Elektrode verbunden ist. Der Umkontakt ist vor- zugsweise als bandförmiger Flachleiter ausgebildet und verläuft wenigstens über eine dritte Seite der Piezokeramik.

Die zweite Elektrode umfasst zwei, drei, vier oder mehr Kontaktflächen, die vorzugs- weise symmetrisch und/oder äquidistant auf derselben Seite der Piezokeramik ange- ordnet sind wie eine Kontaktfläche der ersten Elektrode. Die Kontaktflächen sind vor- zugsweise randseitig auf der entsprechenden Seite der Piezokeramik angeordnet. Die Form jeder Kontaktfläche kann exakt oder im Wesentlichen einem Halbkreis entspre- chen. Bevorzugt weist die zweite Elektrode vier identisch ausgebildete, vorzugsweise halbkreisförmige Kontaktflächen auf, die in Winkelabständen von etwa 90° symmet- risch und äquidistant auf der ersten Seite der Piezokeramik angeordnet sind.

Das Kontaktelement kann folgende Merkmale aufweisen: Das Kontaktelement ist kreisscheibenförmig ausgebildet.

Das Kontaktelement weist einen ersten Kontaktabschnitt auf, der streifenförmig dia metral über eine erste Seite des Kontaktelements verläuft, wobei in der Mitte der erste Seite des Kontaktelements ein vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmiger Abschnitt ausgebildet ist, der auf die Form und Abmessungen der Kontaktfläche der ersten Elekt- rode der Piezokeramik abgestimmt ist, um die Kontaktfläche der ersten Elektrode der Piezokeramik im verbunden Zustand vollflächig zu kontaktieren.

Das Kontaktelement weist zwei zweite Kontaktabschnitte auf, die auf der ersten Seite des Kontaktelements beiderseits des ersten Kontaktabschnitts und isoliert davon an- geordnet sind, um die Kontaktflächen der zweiten Elektrode der Piezokeramik im ver- bunden Zustand zu kontaktieren.

Das Kontaktelement ist topfförmig ausgebildet, wobei ein vorzugsweise umlaufender Rand randseitig von der ersten Seite bzw. vom Boden des Kontaktelements vorsteht, wobei Randabschnitte zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktabschnitte am obe- ren Rand des Kontaktelements ausgebildet sind. Der Überstand der Randabschnitte über den Boden des Kontaktelements ist vorzugsweise größer als die Höhe der Piezo- keramik. Der Innendurchmesser oder Innenumfang des vom Boden des Kontaktele- ments vorstehenden Rands liegt vorzugsweise im Bereich von 120 bis 200 % des Au- ßendurchmessers oder Außenumfangs der Piezokeramik.

Das Kontaktelement ist als Membran zur akustischen Kopplung der Piezokeramik aus- gebildet.

Das Kontaktelement ist mit der Piezokeramik fest verbunden, vorzugsweise verklebt.

Das Kontaktelement ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wobei die ersten und zweiten Kontaktabschnitte aus elektrisch leitendem Material nachträg- lich auf das Kontaktelement aufgetragen sind, beispielsweise als Metallisierung oder als Beschichtung, oder wobei die ersten und zweiten Kontaktabschnitte aus elektrisch leitendem Material in Form von eingebetteten elektrisch leitfähigen Partikeln in das Kontaktelement eingearbeitet sind.

Das Gehäuse kann folgende Merkmale aufweisen:

Das Gehäuse umfasst ein topfförmiges Gehäuseunterteil und einen Deckel. Der Deckel des Gehäuses umfasst eine Leiterplatte oder ist als Leiterplatte ausgebil- det. Die Leiterplatte kann Elektroden unterschiedlicher Polarität zur Beaufschlagung der Piezokeramik mit einer elektrischen Wechselspannung umfassen. Die Elektroden der Leiterplatte liegen bei geschlossenem Gehäuse vorzugsweise auf der Außenseite der Leiterplatte bzw. des Gehäuses. Die Elektroden der Leiterplatte sind vorzugsweise mit Anschlüssen entsprechender Polarität an der Innenseite der Leiterplatte verbun- den, beispielsweise im Wege der Durchkontaktierung. Die Leiterplatte ist vorzugsweise nur in einer bestimmten Drehstellung am Gehäuseunterteil montierbar, sodass die An- schlüsse bei geschlossenem Deckel in elektrisch leitenden Kontakt mit den Randab- schnitten zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktabschnitte des Kontaktelements stehen. Der Kontaktdruck zwischen den Anschlüssen und den Randabschnitten zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktabschnitte des Kontaktelements kann beispiels- weise durch Anpressen des Deckels bedarfsweise erhöht werden. Die Anschlüsse sind nach Form und Abmessungen vorzugsweise auf die Positionen der Randabschnitte zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktabschnitte des Kontaktelements abge- stimmt.

Das Gehäuse ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt.

Das Gehäuse besteht aus Konstruktionskeramik, vorzugsweise Aluminiumoxid.

Das Gehäuse besteht aus Kunststoff, vorzugsweise aus PPS. Zumindest das topfför- mige Gehäuseunterteil ist vorzugsweise aus Kunststoff im Spritzgussverfahren herge- stellt.

Das Gehäuse umfasst eine flachzylindrische und vorzugsweise rotationssymmetrische Form.

Das Gehäuse umfasst einen Durchmesser der im Bereich von 150 bis 300 % des Durchmessers der Piezokeramik liegt.

Das Gehäuse umfasst eine Höhe bzw. axiale Länge, die im Bereich von 150 bis 500 % der Höhe bzw. axialen Länge der Piezokeramik liegt.

Die Piezokeramik und/oder das Kontaktelement ist/sind mittig im Gehäuse bzw. kon- zentrisch zu einer Achse des Gehäuses angeordnet. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vollen Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbart sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Piezokeramik des erfindungsgemäßen Ultra- schallwandlers mit Blick auf die erste Seite (Unterseite), wobei die Piezokeramik als flachzylindrische Piezokeramikscheibe ausgebildet ist und die erste Elektrode (Plus) kreisförmig ausgebildet und mittig vollflächig auf die erste Seite (Unterseite) der Pie- zokeramik durch einen Sputter-Prozess aufgebracht ist, sodass auf der ersten Seite der Piezokeramik ein ringförmiger Rand verbleibt, der nicht von der ersten Elektrode bedeckt ist und in welchem insgesamt vier halbkreisförmige Kontaktflächen der zweiten Elektrode (Minus) randseitig symmetrisch und äquidistant beanstandet zu- einander angeordnet sind.

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Piezokeramik gemäß Figur 1 mit Blick auf die zweite Seite (Oberseite), die mit einer zweiten kreisförmigen vollflächig durch einen Sputter-Prozess aufgebrachten Elektrode (Minus) bedeckt ist, wobei Umkontakte von der zweiten Elektrode über die Mantelfläche der Piezokeramik zu den Kontakt- flächen der zweiten Elektrode auf der ersten Seite der Piezokeramik führen.

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht einer Anordnung umfassend die Piezokera- mik gemäß Figur 2 sowie ein Kontaktelement mit Kontaktabschnitten unterschiedli- cher Polarität, die mit den Kontaktflächen der Piezokeramik zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung in Kontakt bringbar sind, wobei das Kontaktelement kreisscheibenförmig ausgebildet ist und der erste Kontaktabschnitt (Plus) streifen- förmig diametral über den Mittelpunkt des Kontaktelements verläuft, um einen kreis- förmigen Mittelabschnitt zu bilden, und wobei zwei zweite Kontaktabschnitte (Minus) beiderseits des ersten Kontaktabschnitts angeordnet und im Wesentlichen halb- kreisförmig ausgebildet sind.

Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß Figur 3 in einem Zustand, in welchem die Piezokeramik bestimmungsgemäß auf dem Kontaktelement angeord- net ist, sodass die Kontaktflächen der Piezokeramik mit den Kontaktabschnitten ent- sprechender Polarität des Kontaktelements in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Figur 5 eine Unteransicht der Anordnung gemäß Figur 4, wobei das Kontaktelement teil- transparent dargestellt ist.

Figur 6 eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß den Figur 4 oder 5 mit Blick auf die zweite Seite (Oberseite) der Piezokeramik, wobei die Piezokeramik teiltranspa- rent dargestellt ist.

Figur 7 eine Draufsicht einer Anordnung umfassend ein topfförmiges Gehäuseunterteil und ein topfförmiges Kontaktelement, wobei das Kontaktelement ähnlich zu dem in Fig. 3 dargestellten Kontaktelement ausgebildet ist und sich zusätzlich randseitig vom Boden des Kontaktelements ein umlaufender Rand erhebt, wobei die Kontaktab- schnitte unterschiedlicher Polarität am Boden des Kontaktelements über entspre- chende Randabschnitte am oberen Ende des umlaufenden Randes kontaktiert wer- den können.

Figur 8 eine perspektivische Draufsicht der Anordnung gemäß Figur 7.

Figur 9 eine perspektivische Draufsicht der Anordnung gemäß Figur 7, in einem Zustand, in welchem eine Piezokeramik gemäß Figur 2 bestimmungsgemäß auf dem Kontakte- lement angeordnet ist, sodass die Kontaktflächen der Piezokeramik mit den Kon- taktabschnitten entsprechender Polarität des Kontaktelements in elektrisch leiten dem Kontakt stehen.

Figur 10 eine Unteransicht der Anordnung gemäß Figur 9, wobei das Gehäuseunterteil sowie das Kontaktelement teiltransparent dargestellt sind.

Fig. 11 eine perspektivische Draufsicht einer Leiterplatte mit Elektroden unterschiedlicher

Polarität, über welche eine elektrische Wechselspannung an die Elektroden der Pie- zokeramik anlegbar ist, wobei die Leiterplatte einen Deckel zum Verschluss des in den Figuren 7 bis 10 dargestellten Gehäuseunterteils bildet.

Fig. 12 eine perspektivische Unteransicht der Leiterplatte gemäß Fig. 1 1 , wobei an der Un- terseite bzw. Innenseite der Leiterplatte Anschlüsse unterschiedlicher Polarität zur Kontaktierung der Randabschnitte entsprechender Polarität des in den Figuren 7 bis 9 dargestellten Kontaktelements angeordnet sind, wobei die Anschlüsse im Wege der Durchkontaktierung elektrisch leitend mit den Elektroden an der Außenseite in Verbindung stehen. Fig. 13 eine perspektivische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, um- fassend die in Figur 9 dargestellte Anordnung in Verbindung mit der in Figur 2 dar- gestellten Piezokeramik, wobei die Leiterplatte das in den Figuren 7 bis 10 darge- stellte Gehäuseunterteil verschließt, sodass die Anschlüsse an der Deckelinnen- seite mit den Randabschnitten entsprechender Polarität des Kontaktelements in elektrisch leitendem Kontakt stehen, wobei die Leiterplatte teiltransparent darge- stellt ist.

Fig. 14 eine andere perspektivische Draufsicht des erfindungsgemäßen Ultraschallwand- lers gemäß Figur 13.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Ultraschallwandler 1 in Ge- stalt eines medienbeständigen Ultraschall-Transducers bestehend aus einem topfartigen Ge- häuse 2 aus Konstruktionskeramik (z.B. Aluminiumoxid) mit einer strukturierten Elektrode im Boden in Gestalt des mit Kontaktabschnitten 8, 9 ausgebildeten Kontaktelements 2c, worauf eine strukturierte Piezokeramik 3 mit speziell angepasstem Umkontaktdesign geklebt wird (vgl. Figuren 1 bis 6). Während durch die Oxid-Keramik ein chemisch beständiges Material als Membran verwendet und durch die strukturierte Metallisierung des Kontaktelements 2c in Ge- stalt der Kontaktabschnitte 8, 9 die elektrische Leitfähigkeit ermöglicht wird, besteht die Inno- vation darin, die Piezokeramik 3 ausschließlich über den Topf elektrisch zu kontaktieren. Die Piezokeramik 3 muss also nicht zusätzlich durch Federstifte oder Drähte kontaktiert und damit belastet oder gedämpft werden. Durch eine in das Gehäuse 2 eingeklebte Leiterplatte 2d oder Platine wird der Sensor abschließend verschlossen und kann darüber letztendlich beliebig kontaktiert werden.

Das alternative Prinzip der Kontaktierung über eine strukturierte Elektrode lässt sich natürlich nicht nur auf einen Topf, sondern auch auf eine anders geformte bzw. gestaltete Membran übertragen. Eine Ausführung des Gehäuses in Kunststoff (z.B. PPS) ist auch denkbar. In Spritzgusstechnik können z.B. Stanzgitter zur elektrischen Kontaktierung eingespritzt werden. Eine andere Al- ternative zur Herstellung der speziellen Elektrodenstruktur im Gehäuse besteht in der Metalli sierung des Kunststoffs, auch auf diesem Gebiet gibt es technische Lösungen.

Im Detail umfasst der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 1 folgende Komponenten:

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Ausführung einer Piezokeramik 3 für einen erfindungsgemä- ßen Ultraschallwandler 1 zur Fluidmengenmessung. Die Piezokeramik 3 ist flachzylindrisch bzw. kreisscheibenförmig ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen in einer Ebene, wo bei zwei kreisförmige Elektroden 4, 5 unterschiedlicher Polarität auf verschiedene Seiten A, B der Piezokeramik 3 aufgebracht sind. Die Dicke der Piezokeramik 3 bzw. der Abstand der beiden Seiten A, B liegt etwa im Bereich von 10 % bis 25 % des Durchmessers der Piezoke- ramik 3.

Die erste Elektrode 4 bedeckt und kontaktiert eine erste Seite A der Piezokeramik 3 teilweise und ist mittig auf der ersten Seite A der Piezokeramik 3 flächig durch einen Sputter-Prozess aufgebracht. Rings um die erste Elektrode 4 verbleibt auf der ersten Seite A der Piezokeramik 3 eine ringförmige Fläche, die nicht von der ersten Elektrode 4 bedeckt ist. Eine von der Pie- zokeramik 3 abweisende Seite der ersten Elektrode 4 bildet die Kontaktfläche 6 der ersten Elektrode 4.

Die flächig mittels eines Sputter-Prozesses aufgebrachte zweite Elektrode 5 bedeckt und kon- taktiert eine zweite Seite B der Piezokeramik 3 vollflächig. Insgesamt vier Kontaktflächen 7 der zweiten Elektrode 5 sind randseitig symmetrisch und äquidistant in Winkelabständen von ca. 90° zur Mittelachse der Piezokeramik 3 auf der ersten Seite A der Piezokeramik 3 angeordnet und jeweils durch einen über die Mantelfläche C der Piezokeramik 3 verlaufenden Umkontakt 5a mit dem aktiven Teil der zweiten Elektrode 5 elektrisch leitend verbunden. Folglich sind die Kontaktflächen 6, 7 zur elektrischen Kontaktierung beider Elektroden 4, 5 auf derselben Seite A der Piezokeramik 3 angeordnet. Die Kontaktflächen 7 der zweiten Elektrode 5 sind im We- sentlichen halbkreisförmig ausgebildet.

In den Figuren 3 bis 6 ist zusätzlich zu der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Piezokeramik 3 ein Kontaktelement 2c dargestellt, welches wenigstens zwei Kontaktabschnitte 8, 9 unter- schiedlicher Polarität aufweist, die mit den Kontaktflächen 6, 7 beider Elektroden 4, 5 entspre- chender Polarität in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden können. Das Kontaktelement 2c ist in der Ausführung gemäß den Figuren 3 bis 6 kreisscheibenförmig ausgebildet und erstreckt sich in einer Ebene. Der Durchmesser des Kontaktelements 2c liegt etwa im Bereich von 150 % bis 300 % des Durchmessers der Piezokeramik 3. Ein erster Kon- taktabschnitt 8 zur Kontaktierung der ersten Elektrode 4 (Plus) der Piezokeramik 3 erstreckt sich im Wesentlichen streifenförmig diametral über die Oberfläche des Kontaktelements 2c, um in der Mitte der Oberfläche des Kontaktelements 2c einen in etwa kreisscheibenförmigen Abschnitt zu bilden, der zur Kontaktierung mit der Kontaktfläche 6 der ersten Elektrode 4 be- stimmt ist und in seinen Abmessungen auf die Kontaktfläche 6 der ersten Elektrode 4 abge- stimmt ist. Der erste Kontaktabschnitt 8 wird randseitig von isolierenden Abschnitten flankiert, die den ersten Kontaktabschnitt 8 von den beiderseits davon angeordneten und im Wesentli- chen halbkreisförmig ausgebildeten zweiten Kontaktabschnitten 9 trennen. Die zweiten Kon- taktabschnitte 9 sind dafür vorgesehen und ausgebildet, um mit den Kontaktflächen 7 der zweiten Elektrode 5 in elektrisch leitenden Kontakt zu gelangen, wenn die Piezokeramik 3 bestimmungsgemäß auf dem Kontaktelement 2c angeordnet und flächig damit verklebt ist. Die ersten und zweiten Kontaktabschnitte 8, 9 befinden sich in derselben Ebene und auf derselben Oberfläche des Kontaktelements 2c. Das Kontaktelement 2c kann als Membran ausgebildet sein, über welche die akustische Kopplung der Piezokeramik 3 erfolgt. Die Kontaktabschnitte 8, 9 sind beispielsweise als Beschichtung oder Metallisierung auf das Kontaktelement 2c auf- gebracht oder sind durch Einbettung elektrisch leitfähiger Materialien, beispielsweise in Parti- kelform, in das Kontaktelement 2c eingearbeitet.

In alternativer Ausführung gemäß den Figuren 7 bis 10 kann das Kontaktelement 2c topfförmig ausgebildet sein und in einen unteren topfförmigen Gehäuseteil 2a eingesetzt sein oder einen Teil des Gehäuses 2 bilden, wobei die ersten und zweiten Kontaktabschnitte 8 und 9 im We- sentlichen analog zu der Ausführung gemäß den Figuren 3 bis 6 am Boden des Kontaktele- ments 2c angeordnet sind, während abweichend von den Figuren 3 bis 6 Randabschnitte 8a, 9a zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktabschnitte 8 und 9 randseitig vom Boden des Kontaktelements 2c vorstehen. Die Abmessungen der durch den unteren topfförmigen Gehäu- seteil 2a gebildeten Aufnahme übertreffen die Abmessungen der Piezokeramik 3, sodass die Piezokeramik 3 vollständig in der Aufnahme eingehaust ist.

Die Figuren 1 1 und 12 zeigen eine Leiterplatte 2d, die einen Deckel 2b zum Verschluss des unteren topfförmigen Gehäuseteils 2a gemäß den Figuren 7 bis 10 bildet.

Figuren 13 und 14 zeigen einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1 , der insbesondere zur Fluidmengenmessung ausgebildet ist. Dieser Ultraschallwandler 1 umfasst ein Gehäuse 2, das aus dem unteren topfförmigen Gehäuseteil 2a gemäß den Figuren 7 bis 10 und dem als Leiterplatte 2d ausgebildeten Deckel 2b gemäß den Figuren 1 1 und 12 besteht. Das Ge- häuse 2 kann aus Keramik - wie beispielsweise Aluminiumoxid - oder aus Kunststoff - wie beispielsweise PPS - hergestellt werden, wobei ein aus Kunststoff hergestelltes Gehäuse vor- zugsweise in einemGieß- oder Spritzgussverfahren gefertigt ist. In dem Gehäuse sind ein Kon- taktelement 2c und eine Piezokeramik 3 gemäß den Figuren 1 und 2 derart angeordnet, dass die Kontaktabschnitte 8, 9 unterschiedlicher Polarität des Kontaktelements 2c mit den Kon- taktflächen 6, 7 beider Elektroden 4, 5 entsprechender Polarität in elektrisch leitendem Kontakt stehen

An einer ersten Seite D weist der Deckel 2b Elektroden 12, 13 unterschiedlicher Polarität auf, die bei geschlossenem Deckel 2b an der Außenseite des Deckels 2b bzw. des Gehäuses 2 angeordnet sind und über die Randabschnitte 8a, 9a in elektrisch leitender Verbindung mit den Kontaktabschnitten 8, 9 entsprechender Polarität stehen, sodass die Piezokeramik 3 über die Elektroden des Deckels 2b mit einer Wechselspannung beaufschlagbar ist. Die Elektroden 12, 13 stehen über entsprechende Durchkontaktierungen mit Anschlüssen 10, 1 1 entspre- chender Polarität an der Innenseite E des Deckels 2b in elektrisch leitender Verbindung. Die Anschlüsse 10, 1 1 an der Innenseite E des Deckels 2b stellen bei geschlossenem Deckel 2b einen elektrischen Kontakt zu den Randabschnitten 8a und 9a des Kontaktelements 2c her und stehen mit den Kontaktabschnitten 8, 9 entsprechender Polarität in elektrisch leitender Verbindung.

Um die Piezokeramik 3 zur Schwingung anzuregen, muss ein elektrisches Wechselfeld in der Piezokeramik 3 erzeugt werden. Dies geschieht durch Anlegen einer Wechselspannung an die flächig aufgebrachten Elektroden 4, 5 der Piezokeramik 3.

Durch den Umkontakt 5a, der über die Mantelfläche C der Piezokeramik 3 verläuft, können die Kontaktflächen 6, 7 beider Elektroden 4, 5 der Piezokeramik 3, d.h. die Kontaktierungspunkte für Plus- und Minuspol, auf einer Seite der Piezokeramik 3 untergebracht werden.

Die Piezokeramik 3 hat ein symmetrisches Design zur Ausbildung einer optimalen Schallkeule, wobei die mittig angeordnete erste Elektrode 4 einen aktiven Bereich für die Schallerzeugung bildet und zusätzlich ein passiver Bereich mit vier Umkontakten 5a und Kontaktflächen 7 vor- handen ist.

Das als Kontaktelement 2c ausgebildete Substrat ist beispielsweise mittels eines Sputter-Pro- zesses (Physikalische Gasphasenabscheidung bzw. PVD) kostengünstig realisierbar. Die akustische Kopplung der Piezokeramik 3 mit dem Kontaktelement 2c erfolgt durch vollflä- chige Verklebung. Über die Verklebung erfolgt gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der Piezokeramik 3 mit dem Kontaktelement 2c, so dass keine zusätzliche Kontaktierung z.B. durch Löten oder Federkontakte notwendig ist. Der galvanische Kontakt zwischen der Piezo- keramik 3 und dem Kontaktelement 2c wird über die Oberflächenrauheit der Fügepartner rea- lisiert. Ein leitfähiger Klebstoff ist daher nicht zwingend erforderlich. Die Kontaktierung der Center-Elektrode (Pluspol) 4 und der Kontaktflächen 7 des Minuspols 5 der Piezokeramik 3 auf dem Kontaktelement 2c wird durch die spezielle Elektrodenstruktur in Gestalt der Kontakt- abschnitte 8, 9 und der speziellen Positionierung der Piezokeramik 3 ermöglicht.

Die Kontaktierung der beiden Elektroden 4, 5 der Piezokeramik 3 mit dem Kontaktelement 2c gestaltet sich daher als besonders einfach. Eine funktionsbestimmende Klebung (akustische Kopplung) und elektrische Kontaktierung sind in einem Montageschritt möglich.

Die oben beschriebene Anordnung kann in ein Gehäuse 2 mit entsprechenden elektrischen Kontaktabschnitten 8, 9 montiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Implementie- rung des obigen Designs in ein topfförmiges Gehäuse 2a.

Eine Implementierung bzw. Integration des Kontaktelements 2c in das Gehäuse 2 ist möglich, wobei das Gehäuse 2 aus Konstruktionskeramik oder Kunststoff hergestellt sein kann. Die Fortführung der Elektrodenbahnen der Kontaktabschnitte 8, 9 erfolgt beispielsweise über die Metallisierung (z.B. mittels PVD) der Innenwandung des Kontaktelements 2c und/oder des Gehäuses 2 auf Kontaktierungsflächen in einem einfach zugänglichen Absatz im Gehäuse 2. Die Innenmetallisierung des Gehäuses 2 bietet zusätzliche Schirmung.

Der Verschluss des Gehäuses 2 erfolgt mit einem Deckel 2b in Gestalt der Leiterplatte 2d (FR4), wobei das Design der Leiterplatte 2d auch in Hybrid-Technik (gedruckte Schaltung auf Aluminiumoxidkeramik) erfolgen kann.

Die Verklebung der Leiterplatte 2d mit dem restlichen Gehäuse 2 kann durch einen nichtlei- tenden Klebstoff erfolgen, wobei der galvanische Kontakt zwischen den Kontaktflächen des Gehäuses 2 und den PCB-Elektrodenflächen über die Oberflächenrauheit erfolgt.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 1 besteht demnach nur aus drei T eilen mit integrier- ter Kontaktierung der Piezoscheibe 3. Dadurch ergibt sich eine definierte Schnittstelle zur Zäh- ler-Elektronik (Lötkontakt oder Steckverbinder) sowie eine einfache automatisierbare Aufbau- und Verbindungstechnik, wobei die Montage von einer Seite erfolgen kann. Bezugszeichenliste

1 Ultraschallwandler

2 Gehäuse

2a Topf

2b Deckel

2c Kontaktelement

2d Leiterplatte

3 Piezokeramik

4 Elektrode (Plus) (Piezokeramik)

5 Elektrode (Minus) (Piezokeramik)

5a Umkontakt Elektrode (Minus)

6 Kontaktfläche der Elektrode (Plus)

7 Kontaktfläche der Elektrode (Minus)

8 Kontaktabschnitt für Elektrode (Plus)

8a Rand des Kontaktelements zur Kontaktierung des Kontaktabschnitts (Plus)

9 Kontaktabschnitt für Elektrode (Minus)

9a Rand des Kontaktelements zur Kontaktierung des Kontaktabschnitts (Minus)

10 Anschluss (Plus) (Deckelinnenseite)

1 1 Anschluss (Minus) (Deckelinnenseite)

12 Elektrode (Plus) (Deckel)

13 Elektrode (Minus) (Deckel)

A Erste Seite (Unterseite) der Piezokeramik

B Zweite Seite (Oberseite) der Piezokeramik

C Dritte Seite (Mantelfläche) der Piezokeramik

D Außenseite des Deckels

E Innenseite des Deckels