HUEFTLE, Gerhard (Weiherstr 29, Aspach, 71546, DE)
HORSTBRINK, Michael (Sauerlandstr. 16, Stuttgart-Feuerbach, 70469, DE)
LANG, Tobias (Roeckenwiesenstr. 8, Stuttgart, 70197, DE)
RADWAN, Sami (Dr.-Gotthilf-Schenkel-Weg 44, Stuttgart, 70437, DE)
KUENZL, Bernd (Tilsiter Str. 60, Schwieberdingen, 71701, DE)
WANJA, Roland (Blumenstr. 58, Markgroeningen, 71706, DE)
MUELLER, Roland (Am Schleifrain 23, Steinheim, 71711, DE)
HUEFTLE, Gerhard (Weiherstr 29, Aspach, 71546, DE)
HORSTBRINK, Michael (Sauerlandstr. 16, Stuttgart-Feuerbach, 70469, DE)
LANG, Tobias (Roeckenwiesenstr. 8, Stuttgart, 70197, DE)
RADWAN, Sami (Dr.-Gotthilf-Schenkel-Weg 44, Stuttgart, 70437, DE)
KUENZL, Bernd (Tilsiter Str. 60, Schwieberdingen, 71701, DE)
WANJA, Roland (Blumenstr. 58, Markgroeningen, 71706, DE)
| Ansprüche 1 . Ultraschallwandler (1 10) zum Einsatz in einem fluiden Medium (120), umfassend mindestens einen Wandlerkern (1 12), wobei der Wandlerkern (1 12) mindestens ein elektrisch-akustisches Wandlerelement (1 14) umfasst, wobei der Ultraschallwandler (1 10) weiterhin mindestens ein Gehäuse (1 18) umfasst, wobei das Gehäuse (1 18) mindestens zwei Gehäuseteile (122, 124) aufweist, wobei mindestens ein erstes Gehäuseteil (122) vorgesehen ist, wobei das erste Gehäuseteil (122) den Wandlerkern (1 12) zumindest teilweise umschließt, wobei eine von dem fluiden Medium (120) abgewandte Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements (1 14) zugänglich ist, wobei mindestens ein zweites Gehäuseteil (124) vorgesehen ist, wobei das zweite Gehäuseteil (124) mit dem ersten Gehäuseteil (122) verbunden ist, wobei der Ultraschallwandler (1 10) auf seiner von dem fluiden Medium (120) abgewandten Seite durch das zweite Gehäuseteil (124) im Wesentlichen abgeschlossen ist. 2. Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Gehäuseteil (122) den Wandlerkern (1 12) ringförmig umgibt. 3. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch-akustisches Wandlerelement (1 14) auf der dem fluiden Medium (120) abgewandten Seite bündig mit dem ersten Gehäuseteil (122) abschließt oder über das erste Gehäuseteil (122) vorsteht. 4. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Gehäuseteil (124) topfformig ausgestaltet ist und von der dem fluiden Medium (120) abgewandten Seite über das erste Gehäuseteil (122) gestülpt ist. 5. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Gehäuseteil (122) und das zweite Gehäuseteil (124) durch ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren miteinander verbunden sind, insbesondere ein Schweißverfahren. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens einen Kontaktbügel (144) zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements (1 14), insbesondere einen im wesentlichen formstabilen Kontaktbügel (144), wobei der Kontaktbügel (144) durch das zweite Gehäuseteil (124) in einen Innenraum des Ultraschallwandlers (1 10) ragt und dort mit dem elektrisch-akustischen Wandlerelement (1 14) elektrisch verbunden ist. Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kontaktbügel (144) mit dem ersten Gehäuseteil (122) verbunden ist, insbesondere durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktbügel (144) das elektrisch-akustische Wandlerelement (1 14) zumindest teilweise umschließt und eine elektromagnetische Abschirmung bereitstellt. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Gehäuseteil (122) und das zweite Gehäuseteil (124) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sind. 0. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (1 10) zum Einsatz in einem fluiden Medium (120), insbesondere eines Ultraschallwandlers (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugung eines Wandlerkerns (1 12), wobei der Wandlerkern (1 12) mindestens ein elektrisch-akustisches Wandlerelement (1 14) umfasst; Bereitstellen mindestens eines ersten Gehäuseteils (122), derart, dass das erste Gehäuseteil (122) den Wandlerkern (1 12) zumindest teilweise umschließt, wobei eine von dem fluiden Medium (120) abgewandte Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements (1 14) zugänglich ist; Bereitstellen mindestens eines zweiten Gehäuseteils (124); und Verbinden des ersten Gehäuseteils (122) und des zweiten Gehäuseteils (124), derart, dass der Ultraschallwandler (1 10) auf seiner von dem fluiden Medium (120) abgewandten Seite durch das zweite Gehäuseteil (124) im Wesentlichen abgeschlossen wird. 1 1 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Gehäuseteil (122) und der Wandlerkern (1 12) oder ein Teil des Wandlerkerns (1 12), insbesondere ein Anpasskörper (1 16), auf eine Abdichtfolie (142) aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, werden, wobei ein Zwischenraum (134) zwischen dem Wandlerkern (1 12) oder dem Teil des Wandlerkerns (1 12) und dem ersten Gehäuseteil (122) zumindest teilweise durch mindestens ein Dämpfungs- und/oder Entkopplungsmaterial (136) ausgefüllt wird. 12. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Verbinden des ersten Gehäuseteils (122) und des zweiten Gehäuseteils (124) einen Kontaktbügel (144) zur Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements (1 14) mit dem ersten Gehäuseteil (122) verbunden wird, insbesondere durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung. |
Titel
Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler in verschiedenen Einsatzgebieten bekannt. Beispielsweise werden Ultraschallwandler in der Kraftfahrzeugtechnik in Ultraschallströmungsmessern eingesetzt, beispielsweise im Abgastrakt und/oder im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen. Beispiele derartiger Ultraschallwandler sind in DE 10 2007 037 088 A1 oder der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nummer DE 10 2008 055 126.0 aus dem Hause der Anmelderin beschrieben. Ultraschalldurchflussmesser basieren in vielen Fällen auf zwei Ultraschallwandlern, die in einem Strömungsrohr in Strö- mungsrichtung versetzt angeordnet sind und sich gegenseitig Ultraschallsignale zusenden. Dabei können auch Messanordnungen verwendet werden, bei welchen mindestens ein Reflektor vorgesehen ist, beispielsweise in Form von Steckfühlern. Weitere Anwendungen von Ultraschallwandlern sind beispielsweise Füllstandsmesser oder Abstandsmesser, beispielsweise in sogenannten Parkpilot- Systemen.
Ultraschallwandler weisen in vielen Fällen ein elektrisch-akustisches Wandlerelement in Form einer Piezokeramik auf. Um eine Impedanzanpassung, also insbesondere eine Verminderung von Reflexionsverlusten an der Grenzfläche zwi- sehen Ultraschallwandler und dem fluiden Medium, in welchem der Ultraschallwandler eingesetzt werden soll, zu erzielen, werden in vielen Fällen so genannte Anpasskörper verwendet, welche für einen zumindest teilweisen Impedanzausgleich zwischen der Piezokeramik und der Impedanz des fluiden Mediums sorgen. Beispielsweise sind Ultraschallwandler auf der Basis einer Piezokeramik in Verbindung mit so genannten λ/4-lmpedanzanpassschichten bekannt. Beispiele derartiger Anpasskörper, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind in DE 10 2007 037 088 A1 oder in DE 10 2008 055 126.0 beschrieben.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Ultraschallwandler mit einem Gehäu- se in Form einer einteiligen Hülse und einem ringförmigen rückseitigen Deckel bekannt. Derartige Ultraschallwandler werden beispielsweise in Parkpilot- Systemen eingesetzt. In diesem Fall wird in der Regel zuerst die Piezokeramik elektrisch kontaktiert, indem beispielsweise Drähte an der Piezokeramik und mit dem Deckelring verbundenen Kontaktpins angeschweißt werden. Anschließend wird dann in der Regel die Piezokeramik mit einem Sauggreifer durch den Deckelring hindurch gehalten und gemeinsam mit dem Deckelring und den Anschlussdrähten in die Hülse eingeführt. Während dieses Vorgangs erhalten die Anschlussdrähte denjenigen Biegungsverlauf, der innerhalb des späteren Ultraschallwandlers zwecks optimaler Haltbarkeit gewünscht wird. Bevor der Saug- greifer entfernt werden darf, muss dabei in der Regel eine Klebung zwischen dem Piezo und der Hülse aktiviert werden, was in vielen Fällen in Form von Ultravioletter Strahlung erfolgt, die in der Regel ebenfalls durch den Deckelring hindurch eingebracht wird. Diese Art der Montage ist jedoch in der Praxis mit verschiedenen technischen
Herausforderungen und Nachteilen verbunden. So müssen in der Regel einteilige Wandlerhülsen zumeist sehr tief ausgeführt werden, da ein Innenraum der Wandlerhülsen mit einer bestimmten Menge an Dämpfungsmaterial ausgefüllt werden muss. Weiterhin ist diese Tiefe der Wandlerhülse in der Regel erforder- lieh, um eine Befestigung von Kontaktpins oder eine Umkontaktierung zu ermöglichen, um eine entsprechende Führungslänge für einen genau ausgerichteten Einbau, beispielsweise in einem Steckfühlergehäuse, zu gewährleisten oder um die allgemeine Handhabung des Gesamtwandlers zu erleichtern. Durch diese Tiefe der Wandlerhülse wird jedoch üblicherweise die Handhabung während des Aufbauprozesses erschwert, da das Piezoelement tief in die Wandlerhülse eingesenkt werden muss. Innerhalb der Hülse ist dann eine großserientaugliche e- lektrische Kontaktierung der Piezokeramik nur unter Schwierigkeiten möglich. Wird die elektrische Kontaktierung der Piezokeramik hingegen vor dem Fügen mit dem optionalen Anpasskörper vorgenommen, so müssen die Piezokeramik, die Anschlussdrähte, die Kontaktpins und eventuell der Wandlerdeckel bezie- hungsweise Wandlerdeckelring innerhalb des Fügevorgangs relativ zueinander fixiert oder positioniert bleiben. Ein derartiges Verfahren ist äußerst aufwendig.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Ultraschallwandler und Herstellungsverfahren zumindest teilweise vermeiden. Der Ultra- schallwandler kann insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein, und das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers eingesetzt werden. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Beschreibung des Ultraschallwandlers verwiesen werden und umgekehrt.
Der vorliegende Ultraschallwandler umfasst mindestens einen Wandlerkern mit mindestens einem elektrisch-akustischen Wandlerelement. Unter einem elektrisch-akustischen Wandlerelement ist ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, welches elektrische Signale in akustische Signale umwandeln kann und umgekehrt. Insbesondere kann es sich dabei um ein monolithisches Element handeln. Vorzugsweise umfasst das elektrisch-akustische Wandlerelement ein piezoelektrisches Wandlerelement oder ist als piezoelektrisches Wandlerelement ausgestaltet. Dementsprechend werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen des elektrisch- akustischen Wandlerelements, die Begriffe„Piezo",„Piezokeramik" und„piezoelektrisches Wandlerelement" auch als Synonyme für den Begriff„elektrischakustisches Wandlerelement" verwendet. Der Wandlerkern kann darüber hinaus weitere Elemente umfassen, wie unten noch näher ausgeführt wird. Beispielsweise kann der Wandlerkern auf einer dem fluiden Medium zuweisenden Seite mindestens einen Anpasskörper umfassen, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. Dieser Anpasskörper ist eingerichtet, um eine akustische Kopplung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem fluiden Medium, beispielsweise Luft oder einer Flüssigkeit, zu verbessern. Idealerweise stellt der Anpasskörper ein Material bereit, dessen Impedanz beim geometrischen Mittel der Impedanzen des elektrisch-akustischen Wandlerelements und des fluiden Mediums liegt. Beim realen Ultraschallwandler und insbe- sondere bei einem gasförmigen fluiden Medium wird man in der Regel einen Anpasskörper mit einer anderen, meist höheren akustische Impedanzen verwenden. Der Anpasskörper kann auch mehrere Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen umfassen und/oder ein Material mit einem akustischen Impedanzgradienten. Der Wandlerkern kann beispielsweise eine Abstrahlfläche aufweisen, welche dem fluiden Medium zuweist und über welche Ultraschallsignale an das fluide Medium abgegeben und/oder Ultraschallsignale aus dem fluiden Medium aufgenommen werden können. Die Abstrahlfläche kann beispielsweise in einer Öffnung eines Gehäuses, welches unten noch näher erläutert wird, angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Öffnung von einem Rand des Gehäuses umgeben sein, beispielsweise ringförmig. Auch andere Geometrien sind denkbar. Die Abstrahlfläche kann dabei bündig mit dem Rand des Gehäuses abschließen oder auch in einer anderen Ebene angeordnet sein, beispielsweise leicht ins Innere des Gehäuses versetzt oder leicht gegenüber dem Rand hin zum fluiden Medium versetzt.
Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler mindestens ein Gehäuse. Dieses Gehäuse kann insbesondere hülsenförmig ausgestaltet sein. Unter einem Gehäuse wird dabei ein Element verstanden, welches den Ultraschallwandler im Wesentli- chen nach außen abschließt und dem Ultraschallwandler nach außen hin seine wesentliche Form verleiht. Das Gehäuse kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, insbesondere aus einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein und kann den Ultraschallwandler gegenüber mechanischen und/oder chemischen Einflüssen von außen schützen und/oder vor Tem- peratur- und/oder Druckeinflüssen.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Montage und der Aufbau des Ultraschallwandlers erheblich erleichtert werden können, wenn das Gehäuse mindestens zweiteilig ausgestaltet wird. Dementsprechend weist das Gehäuse mindestens zwei Gehäuseteile auf. Diese Gehäuseteile sind vorzugsweise vollständig getrennt ausgestaltet und können dementsprechend vorzugsweise vollständig unabhängig voneinander hergestellt und/oder gehandhabt werden.
Dabei ist mindestens ein erstes Gehäuseteil vorgesehen, welches den Wandlerkern zumindest teilweise umschließt. Beispielsweise kann das Gehäuseteil einen Anpasskörper des Wandlerkerns und/oder das elektrisch-akustische Wandlerelement ganz oder teilweise umschließen. Dementsprechend kann das erste Gehäuseteil beispielsweise ringförmig oder röhrenförmig ausgestaltet sein, beispielsweise mit einem runden oder polygonalen Querschnitt. Ein Innendurch- messer dieses Gehäuseteils kann passgenau dem Außendurchmesser des
Wandlerkerns entsprechen, oder es kann zwischen dem Gehäuseteil und dem Wandlerkern ein Zwischenraum vorgesehen sein, wie unten noch näher ausgeführt wird. Dabei umschließt das erste Gehäuseteil den Wandlerkern derart, dass eine von dem fluiden Medium abgewandte Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements zugänglich ist. Unter dem Begriff zugänglich ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der das erste Gehäuseteil auf der Rückseite mindestens eine Öffnung aufweist, beispielsweise eine Öffnung mit einer höheren Öffnungsweite als der Wandlerkern, durch welche hindurch auf die Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements zugegriffen werden kann, beispielsweise für eine Kontaktierung des elektrisch akustischen Wandlerelements. Insbesondere können die Öffnung und/oder der Wandlerkern derart ausgestaltet sein, dass der Wandlerkern durch die Öffnung in dem ersten Gehäuseteil in das erste Gehäuseteil eingebracht und/oder aus diesem entfernt werden kann. Beispielsweise kann diese Rückseite des elektrischakustischen Wandlerelements bündig mit der Rückseite des ersten Gehäuseteils abschließen oder sogar über dieses erste Gehäuseteil hinausragen, so dass diese beispielsweise für eine elektrische Kontaktierung zugänglich ist. Alternativ kann das erste Gehäuseteil auch leicht auf der Rückseite überstehen, so dass die Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements leicht gegenüber der Rückseite des ersten Gehäuseteils ins Innere des Gehäuses versetzt ist, wobei jedoch nach wie vor die Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements für eine elektrische Kontaktierung zugänglich sein sollte.
Weiterhin ist mindestens ein zweites Gehäuseteil vorgesehen, welches mit dem ersten Gehäuseteil verbunden ist, beispielsweise über eine stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung. Dieses zweite Gehäuseteil ist derart ausgestaltet und angeordnet, dass dieses den Ultraschall- wandler auf seiner von dem fluiden Medium abgewandten Seite im Wesentlichen abschließt. Ein Abschluss bedeutet diesbezüglich jedoch keinen hermetischen Abschluss, sondern eine Definition der äußeren Gestalt des Ultraschallwandlers auf der dem fluiden Medium abgewandten Seite und/oder eine mechanische Stabilisierung von in dem Gehäuse aufgenommenen Komponenten des Ultraschallwandlers.
Weiterhin kann ein zumindest teilweiser Schutz vor äußeren Einwirkungen gewährleistet sein. Unter„im Wesentlichen" kann diesbezüglich ein Abschluss verstanden werden, bei welchem auch zumindest geringfügige Öffnungen, beispielsweise für Durchführungen oder als Ausgleichsöffnung bzgl. thermischer Ausdehnung von Teilen des Wandlers (z.B. eines Dämpfungselements), toleriert werden können. Unter„im Wesentlichen abgeschlossen" kann somit insbesondere eine Ausgestaltung des zweiten Gehäuseteils auf der dem fluiden Medium abgewandten Seiten verstanden werden, bei welcher das Wandlerinnere, beispielsweise das elektrisch-akustische Wandlerelement und/oder der gesamte Wandlerkern und/oder ein Entkopplungselement und/oder ein Dämpfungselement, durch das zweite Gehäuseteil im Inneren des Gehäuses gehalten werden, so dass diese Komponenten nicht aus dem Gehäuse entfernt werden können. Insbesondere kann das zweite Gehäuseteil eine rückseitige Abstützung bereitstellen, auf welcher eines oder mehrere der Elemente Wandlerkern, elektrisch- akustisches Wandlerelement, Entkopplungselement, Dämpfungselement, Dämp- fungs- und/oder Entkopplungsmaterial oder auch andere Elemente, welche im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, abgestützt sein können. So kann beispielsweise das zweite Gehäuseteil auf seiner dem fluiden Medium abgewandten Seite mindestens ein Abstützelement umfassen, beispielsweise einen nach innen ragenden Kragen, auf welchem eines oder mehrere der genannten Elemente des
Gehäuseinneren abgestützt sein können, so dass beispielsweise ein Druck des fluiden Mediums aufgenommen werden kann. Beispielsweise kann auf diese Weise gewährleistet werden, dass eine Abdichtfolie auf der dem fluiden Medium zuweisenden Seite des Ultraschallwandlers bei einer Druckbelastung möglichst wenig nach innen gedrückt wird. Ist mindestens eine rückseitige Öffnung in dem zweiten Gehäuseteil vorgesehen, so sollte diese jedoch auch nicht zu klein gewählt werden, da dann die Abstützwirkung zwar immer besser wird, aber thermisch bedingte Ausdehnungen des Wandlerinneren, beispielsweise eines Dämpfungsvergusses, dann die optionale Abdichtfolie um so mehr belasten würden. Je nach Härte, Temperaturausdehnungskoeffizient und Füllvolumen kann in der Praxis ein entsprechender Kompromiss für die optimale Öffnungsgröße des zweiten Gehäuseteils gefunden werden.
Wie oben dargestellt, kann das erste Gehäuseteil den Wandlerkern insbesondere ringförmig umgeben. Dementsprechend kann das erste Gehäuseteil beispielsweise ganz oder teilweise als Ring und/oder als ringförmige Hülse ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das erste Gehäuseteil eine Stirnfläche aufweisen, insbesondere eine kreisförmige Stirnfläche, welche dem fluiden Medium zuweist. Eine Abstrahlfläche des Wandlerkerns, also eine Fläche, über welche akustische Signale vom Wandlerkern an das fluide Medium abgegeben werden und/oder über welche akustische Signale aus dem fluiden Medium von dem Wandlerkern aufgenommen werden, kann von dieser Stirnfläche ringförmig umgeben sein. Beispielsweise kann die Abstrahlfläche in einer Ebene mit dieser Stirnfläche des ersten Gehäuseteils angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders bevorzugt, wenn, wie unten noch näher ausgeführt wird, mindestens eine Abdichtfolie vorgesehen ist, welche einen Gehäuseinnenraum des Ultraschallwandlers gegenüber Einflüssen aus dem fluiden Medium, beispielsweise chemischen Einflüssen und/oder Druckeinflüssen, abschirmt und/oder abdichtet. Eine derartige Abdichtfolie kann beispielsweise mit der Stirnfläche des ersten Gehäuseteils und/oder mit der Abstrahlfläche verklebt oder auf andere Weise verbunden sein.
Das elektrisch-akustische Wandlerelement kann insbesondere auf der dem fluiden Medium abgewandten Seite bündig mit dem ersten Gehäuseteil abschließen oder über das erste Gehäuseteil vorstehen. Diese Ausgestaltung ist besonders günstig, um eine einfache elektrische Kontaktierung des elektrisch-akustischen
Wandlerelements zu gewährleisten.
Das zweite Gehäuseteil kann insbesondere topfförmig ausgestaltet sein. In diesem Fall kann das zweite Gehäuseteil beispielsweise von der dem fluiden Medi- um abgewandten Seite über das erste Gehäuseteil gestülpt sein. Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil können beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren miteinander verbunden sein, insbesondere ein Schweißverfahren. Insbesondere bei Kunststoffmaterialien, jedoch auch bei anderen Materialien, bietet sich dabei insbesondere ein Ultraschallschweißen an. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Verbindungstechniken eingesetzt werden, beispielsweise kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungstechniken, beispielsweise durch Laserschweißen, Kleben oder durch ein Aufklipsen des zweiten Gehäuseteils auf das erste Gehäuseteil oder umgekehrt. Der Ultraschallwandler kann weiterhin mindestens einen Kontaktbügel zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements umfassen. Der Kontaktbügel kann beispielsweise einen, zwei oder mehr elektrische Kontakte zur Kontaktierung von Elektroden des elektrisch-akustischen Wandlerelements umfassen. Der mindestens eine Kontaktbügel kann beispielsweise im Wesentli- chen formstabil ausgestaltet sein, also derart, dass dieser sich zumindest unter
Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft nicht oder nur unwesentlich verformt. Der Kontaktbügel kann insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt sein. Der Kontaktbügel kann dabei durch das zweite Gehäuseteil hindurch in einen Innenraum des Ultraschallwandlers ragen und dort mit dem elektrisch- akustischen Wandlerelement elektrisch verbunden sein. Diese elektrische Verbindung zwischen Kontaktbügel und elektrisch-akustischem Wandlerelement kann beispielsweise durch eine direkte Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements durch den Kontaktbügel erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Verbindungstechniken eingesetzt werden, bei- spielsweise Drahtbond-Techniken. Derartige Bonding-Techniken lassen sich, da durch die zweiteilige oder mehrteilige Ausgestaltung des Gehäuses ein Zugang zum elektrisch-akustischen Wandlerelement erleichtert wird, technisch besonders einfach realisieren. Der Kontaktbügel kann insbesondere mit dem ersten Gehäuseteil verbunden sein. Auf diese Weise kann der Kontaktbügel insbeson- dere räumlich fixiert werden. Diese Verbindung kann beispielsweise eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung umfassen. Beispielsweise kann der Kontaktbügel ein oder mehrere Verbindungselemente umfassen, beispielsweise Klips, mittels derer ein Aufstecken und/oder Aufklipsen des Kontaktbügels auf das erste Gehäuseteil möglich ist.
Der Kontaktbügel kann neben einer elektrischen Kontaktierung des elektrischakustischen Wandlerelements weitere Aufgaben erfüllen. So kann dieser beispielsweise zumindest teilweise als elektromagnetische Abschirmung ausgestaltet sein. Dementsprechend kann der Kontaktbügel beispielsweise das elektrisch- akustische Wandlerelement zumindest teilweise umschließen. Wie oben ausgeführt, kann der Wandlerkern in dem mindestens einen elektrischakustischen Wandlerelement weitere Elemente umfassen. Beispielsweise kann der Wandlerkern mindestens einen Anpasskörper umfassen, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. Dieser kann zur Verbesserung einer akustischen Kopplung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem fluiden Medium ausgestaltet sein. Dabei kann das erste Gehäuseteil den Anpasskörper zumindest teilweise umgeben, beispielsweise ringförmig umschließen. Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil können, wie oben dargestellt, ganz oder teilweise aus einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial und/oder aus anderen Materialien hergestellt sein. Besonders bevorzugt sind Materialien, welche gleichzeitig eine gute Eigendämpfung und die Möglichkeit zur Herstellung auch filigraner Strukturen aufweisen. So können beispiels- weise Flüssigkristallpolymere (Liquid Crystal Polymers, LCP) eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch andere Kunststoffe eingesetzt werden, beispielsweise PPA (Polyphtalamid), PBT (Polybuthylenterephtalat) und/oder PEEK (Polyetheretherketon) und/oder andere Kunststoffe. Diese Kunststoffmaterialien können ungefüllt oder auch gefüllt ausgestaltet sein, beispielsweise mit ei- ner Glasfaserfüllung, Keramik, Karbon oder Ähnlichem.
Das erste Gehäuseteil kann insbesondere eine dem fluiden Medium zuweisende Öffnung aufweisen. Beispielsweise kann das erste Gehäuseteil, wie oben dargestellt, eine Stirnfläche aufweisen, beispielsweise eine ringförmige Stirnfläche, welche die Öffnung umrandet. Die Abstrahlfläche des Wandlerkerns kann innerhalb dieser Öffnung angeordnet sein. Die Öffnung kann durch zumindest eine Abdichtfolie verschlossen sein. Die Abdichtfolie kann beispielsweise mit dem ersten Gehäuseteil, beispielsweise der Stirnfläche, verbunden sein. Innerhalb des Ultraschallwandlers kann insbesondere mindestens ein Gehäuseinnenraum vorgesehen sein. Dieser Gehäuseinnenraum kann beispielsweise zumindest teilweise durch das zweite Gehäuseteil begrenzt sein. Dieser Gehäuseinnenraum kann insbesondere zumindest teilweise mit einem Füll- und/oder Dämpfungsmaterial ausgefüllt sein, beispielsweise einem Dämpfungsverguss. Hierfür bieten sich beispielsweise Silikone an. Das Dämpfungsmaterial kann insbesondere direkt mit dem Wandlerkern, beispielsweise dem elektrisch- akustischen Wandlerelement, in Verbindung stehen und kann eingerichtet sein, um nach einer Anregung des Wandlerkerns eine möglichst rasche Dämpfung bereitzustellen. Das Füll- und/oder Dämpfungsmaterial kann weiterhin eingerichtet sein, um vom fluiden Medium auf den Wandler ausgeübte Druckkräfte über den Wandlerkern und das Füll- und/oder Dämpfungsmaterial rückseitig auf das zweite Gehäuseteil abzuleiten.
Neben dem Ultraschallwandler in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall- wandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines Ultraschallwandlers in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen eingesetzt werden, wobei jedoch grundsätzlich auch andere Arten von Ultraschallwandlern mit dem vorgeschlagenen Verfahren herstellbar sind. Das Verfahren umfasst die nachfolgend be- schriebenen Schritte, welche nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen. Einzelne Verfahrensschritte können auch gleichzeitig und/oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einzelne oder mehrere Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Bei dem Verfahren wird ein Wandlerkern erzeugt, der mindestens ein elektrischakustisches Wandlerelement umfasst. Weiterhin wird in einem weiteren Verfahrensschritt mindestens ein erstes Gehäuseteil bereitgestellt, derart, dass das erste Gehäuseteil den Wandlerkern zumindest teilweise umschließt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Wandlerkern bereits vollständig ausgestaltet sein, kann je- doch auch erst lediglich teilweise ausgestaltet sein, beispielsweise indem zu diesem Zeitpunkt lediglich ein Anpasskörper des Wandlerkerns bereitgestellt wird, welcher durch das erste Gehäuseteil zumindest teilweise umschlossen wird. Das erste Gehäuseteil ist dabei derart ausgestaltet und wird derart bereitgestellt, dass eine von dem fluiden Medium abgewandte Rückseite des elektrisch-akustischen Wandlerelements zugänglich ist, beispielsweise für einen elektrischen Kontaktie- rungsvorgang. In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein zweites Gehäuseteil bereitgestellt. Dieses zweite Gehäuseteil wird mit dem ersten Gehäuseteil verbunden, derart, dass der Ultraschallwandler auf seiner von dem fluiden Medium abgewandten Seite durch das zweite Gehäuseteil im Wesentlichen abgeschlossen wird. Das Herstellungsverfahren kann besonders einfach derart gestaltet werden, dass mindestens eine Abdichtfolie, beispielsweise der oben beschriebenen Art, eingesetzt wird. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Kunststofffolie handeln, beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, um eine Polyimid-Folie oder ein anderes Folienmaterial. Auch metallische Folien sind jedoch grundsätzlich möglich. Dabei kann das Verfahren derart ausgestaltet werden, dass das erste Gehäuseteil und der Wandlerkern oder ein Teil des Wandlerkerns, beispielsweise ein Anpasskörper, auf die Abdichtfolie aufgebracht werden. Insbesondere können diese mit der Abdichtfolie verbunden werden, beispielsweise durch ein Klebeverfahren und/oder eine andere Art des stoffschlüssigen Verfahrens. Dabei wird ein Zwischenraum zwischen dem Wandlerkern oder dem Teil des Wandlerkerns und dem ersten Gehäuseteil zumindest teilweise durch mindestens ein Dämpfungs- und/oder Entkopplungsmaterial ausgefüllt. Beispielsweise kann dieses Dämpfungs- und/oder Entkopplungsmaterial ein Kunststoff- material umfassen, insbesondere ein Flüssigsilikonkautschuk (Liquid Silicone
Rubber, LSR). Das Ausfüllen kann insbesondere durch einen Vergussvorgang erfolgen.
Vor dem Verbinden des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils kann insbesondere ein Kontaktbügel zur Kontaktierung des elektrisch-akustischen
Wandlerelements mit dem ersten Gehäuseteil verbunden werden. Diese Verbindung kann, wie oben bereits ausgeführt, insbesondere eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung beinhalten. Der Kontaktbügel kann insbesondere mehrere zusammenhängende elektrische Kontakte aufweisen, wobei die elektrischen Kontakte nach Verbindung des Kontaktbügels mit dem ersten
Gehäuseteil, beispielsweise nach Aufbringen des zweiten Gehäuseteils auf das erste Gehäuseteil, voneinander getrennt werden können.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Verfahren wei- sen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten Herstellungsverfahren zahlreiche Vorteile auf. So wird eine Basis für einen kostengünstigen und großserientechnisch herstellbaren Ultraschallwandler, beispielsweise einen Luftultraschallwandler, gelegt, wie er beispielsweise zur Gasströmungsmessung im Automobilbereich eingesetzt werden kann. Ein Ultraschallwandler kann bei- spielsweise als Ultrasonic Flow Meter, also als Ultraschall-Strömungsmesser, auf der Druckseite aufgeladener Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Der Ultraschallwandler kann einfach und kostengünstig aufgebaut sein. So kann der Ultraschallwandler auf Basis einer Piezokeramik hergestellt werden, mit optional einer Impedanzanpassungsschicht, mit einem Gehäuse in Form beispielsweise einer zweiteilige Hülse. Dabei kann das erste Gehäuseteil als frontseitiger Teil der Hülse ausgestaltet sein und mit der Anpassschicht verbunden sein. Diese Verbindung kann beispielsweise über mindestens ein Entkopplungselement und/oder mindestens eine Abdichtfolie und/oder eine Beschichtung und/oder eine Kombination dieser Elemente erfolgen. Das erste Gehäuseteil, beispielsweise der frontseitige Teil der gesamten Hülse, kann derart flach ausgestaltet werden, dass die Rückseite des Piezos ungefähr in einer Ebene mit dem hinteren Hülsenrand liegt. Dementsprechend kann der Piezo während des Montage-, Klebe- und Kontaktiervorgangs gut zugänglich sein. Das zweite Gehäuseteil kann insbesondere als rückseitiger Hülsenteil ausgestaltet sein. Dieses zweite Gehäuseteil kann als tieferes Hülsenteil ausgestaltet sein als das erste Gehäuseteil. Das zweite Gehäuseteil kann, wie oben dargestellt, dementsprechend ein dämpfendes und/oder ein entkoppelndes und/oder ein abstützendes Material aufnehmen, beispielsweise ein Vergussmaterial.
Durch die mindestens zweiteilige Ausgestaltung des Gehäuses, beispielsweise durch die Ausgestaltung der zweiteiligen Hülse, mit vorzugsweise einem relativ flachen Frontteil, ist eine gute Zugänglichkeit der Piezorückseite gewährleistet. Hierdurch lässt sich eine vorteilhafte Fertigungsreihenfolge realisieren. Die Erfindung ermöglicht insgesamt mehr Freiheitsgrade des Designs, beispielsweise bezüglich der Wahl der Kontaktierungstechnik. Hierdurch lassen sich letztendlich spezielle Anforderungen an den Ultraschallwandler erfüllen, beispielsweise Anforderungen des Automobilbereichs, insbesondere Motoranbaubedingungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale möglicher Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
Figur 2 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels in Figur 1 mit Schnittebene senkrecht zur Schnittebene in Figur 1 ; und
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktbügels.
Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 und 2 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 10 gezeigt. Dabei zeiget Figur 1 eine Schnittdarstellung von der Seite, wohingegen Figur 2 eine Schnittdarstellung senkrecht zu Schnittebene in Figur 1 , in Blickrichtung von oben zeigt. Der Ultraschallwandler 1 10 umfasst als einen Wandlerkern 1 12, der seinerseits ein elektrischakustisches Wandlerelement 1 14 und einen Anpasskörper 1 16 umfasst. Dabei kann der Anpasskörper 1 16 beispielsweise als λ/4-lmpedanzanpassschicht ausgestaltet sein. Das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 kann beispielswei se als Piezoelement ausgestaltet sein und direkt oder über mindestens eine Zwi schenschicht (beispielsweise eine Zwischenschicht zum Ausgleich thermome- chanischer Spannungen) mit dem Anpasskörper 1 16 verbunden sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Anpasskörper 1 16 einen geringfügig höhe ren Durchmesser di auf als das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14. Beispielsweise kann dar gesamte Wandlerkern 1 12 daher insgesamt den Durchmesser di aufweisen, beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm.
Der Wandlerkern 1 12 ist in ein Gehäuse 1 18 eingebracht, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgestaltet ist. Auch mehr als zwei Teile können grundsätzlich vorgesehen sein. Dementsprechend umfasst das Gehäuse 1 18 einen frontseitiges, im Einsatz einem fluiden Medium 120 (siehe Figur 1 ) zuweisendes erstes Gehäuseteil 122 und ein rückseitiges, vom fluiden Medium 120 abgewandetes zweites Gehäuseteil 124. Das erste Gehäuseteil 122, welches im Folgenden auch als erste Gehäusehülse oder frontseitige Hülse bezeichnet wird, kann beispielsweise als im Wesentlichen zylindersymmetrische Hülse ausgestaltet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Gehäuseteil 122 exemplarisch im Schnitt gewinkelt ausgestaltet und weist einen parallel zu einer Achse 126 verlaufenden Axialteil 128 und einen im Wesentlichen senkrecht zur Achse 126 verlaufenden Radialteil 130 auf. Der Radialteil 130 weist eine Stirnfläche 132 auf, welche dem fluiden Medium 120 zuweist. Diese Stirnfläche 132 ist beispielsweise kreisringförmig ausgestaltet. Sie weist einen Innendurchmesser d 2 von beispielsweise 12 mm auf. Dementsprechend kann zwischen dem Wandlerkern 1 12 und dem diesen zumindest teilweise umgebenden ersten Gehäuseteil 122 ein Zwischenraum 134 ausgebildet sein. Dieser Zwischenteil 134 kann beispielsweise im vorliegenden Fall im Wesentlichen zylinderhülsenförmig ausgestaltet sein, mit einer Dicke von beispielsweise 1 mm. Der Zwischenraum 134, kann, wie im Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2, beispielsweise ganz oder teilweise mit einem Entkopplungselement 136 ausgefüllt sein, welches zwar für eine gute mechanische Fixierung des Wandlerkerns 1 12 im Gehäuse 1 18 sorgt, jedoch eine Körperschallübertragung zwischen Gehäuse 1 18 und Wandlerkern 1 12 zumindest dämpft. Beispielsweise kann als Material für das Entkopplungselement 136 ein Vergussmaterial verwendet werden, beispielsweise ein Flüssigsilikonkautschuk (Liquid Silicon Rubber, LSR).
Der Wandlerkern 1 12 weist auf seiner dem fluiden Medium 120 zuweisenden Seite eine Abstrahlfläche 138 auf. Diese ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ebene mit der Stirnfläche 132 des ersten Gehäuseteils 122 angeordnet. Auch die dem fluiden Medium 120 zuweisende Seite des Entkopp- lungselements 136 ragt vorzugsweise nicht über diese gemeinsame Ebene der
Flächen 132 und 138 hinaus. Zum fluiden Medium 120 kann der Ultraschallwandler 1 10 über mindestens ein Abdichtelement 140 abgedichtet sein, beispielsweise eine Abdichtfolie 142. Alternativ oder zusätzlich kommen noch andere Arten von Abdichtelementen 140 in Betracht, beispielsweise Beschichtungen. Die Abdicht- folie kann beispielsweise großflächig mit der Abstrahlfläche 138 und/oder der
Stirnfläche 132 verbunden sein, beispielsweise durch ein Verkleben. Rückseitig, also auf der dem fluiden Medium 120 abgewandten Seite, ist das erste Gehäuseteil 122 vergleichsweise kurz ausgestaltet, so dass in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Rückseite des Wandlerkerns 1 12 bündig mit der Rückseite des ersten Gehäuseteils 122 abschließt oder sogar über dieses hinausragt. Dementsprechend ist das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 vorzugsweise frei von der Rückseite her zugänglich.
Das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 ist über einen Kontaktbügel 144 kontaktiert. Dieser Kontaktbügel 144 ist beispielsweise in einer radialen Erweiterung 146 des zweiten Gehäuseteils 124, welches ansonsten beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist, beispielsweise topfförmig, geführt. Der Kontaktbügel 144 ist an seinem oberen Ende durch eine Öffnung 150 im zweiten Gehäuseteil 124 nach außen geführt und weist an seinem unteren Ende vor- zugsweise Verbindungselemente 148 zum Verbinden mit dem ersten Gehäuseteil 122 auf. Diese Verbindungselemente 148 sind im dargstellten Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise in Figur 1 erkennbar ist, Klipp-förmig oder hakenförmig ausgestaltet und können über das rückseitige Ende des Axialteils 128 des ersten Gehäuseteils 122 gestülpt und/oder geklemmt werden. Auf diese Weise kann eine beispielsweise formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung erzielt werden.
Der Kontaktbügel 144 ist exemplarisch in Figur 3 dargestellt. Danach ist erkennbar, dass der Kontaktbügel 144 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elekt- rische Kontakte 152, 154 aufweist, die beispielsweise an ihrem oberen Ende durch einen Steg 156 miteinander verbunden sein können. Dieser Steg 156 kann nach Montage des Ultraschallwandlers 1 10, wie unten noch näher ausgeführt wird, entfernt werden. Die Verbindungselemente 148 können seitlich über die im Wesentlichen axial verlaufenden elektrischen Kontakte 152, 154 hinausragen, beispielsweise um 2,2 mm. Auch die elektrischen Kontakte 152, 154 können beispielsweise eine Breite von 2,2 mm aufweisen und können beispielsweise um 1 ,4 mm beabstandet sein. Die elektrischen Kontakte 152, 154 können, wie beispielsweise aus Figur 1 erkennbar ist, Kontaktierflächen 158 bereitstellen. Über diese Kontaktierflächen 158 kann beispielsweise eine Kontaktierung 160 zu ent- sprechenden Kontakten des elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 geführt werden, beispielsweise durch ein Drahtbonding. Da die Rückseite des Wandler- kerns 1 12 auch bei in das erste Gehäuseteil 122 eingebrachtem Wandlerkern 1 12 vor Aufbringen des zweiten Gehäuseteils 124 vergleichsweise frei zugänglich ist, ist eine derartige Kontaktierung durch Aufbringen von beispielsweise Drähten oder mittels anderer Bonding-Techniken oder Klemmtechniken oder an- derer Kontaktiertechniken leicht möglich.
Nach dieser Kontaktierung wird das beispielsweise topfförmige zweite Gehäuseteil 124 auf das erste Gehäuseteil 122 aufgebracht und mit diesem verbunden, beispielsweise durch ein Ultraschallschweißen. Die Verbindung ist in Figur 1 mit der Bezugsziffer 162 bezeichnet. Dadurch bildet sich auf der dem fluiden Medium
120 abgewandten Seite des Wandlerkerns 1 12 ein Innenraum 164. Dieser Innenraum 164 kann beispielsweise großräumig ausgestaltet sein, so dass dieser beispielsweise vollständig oder teilweise mit mindestens einem Füll- und/oder Dämpfungsmaterial 166 ausgefüllt werden kann, beispielsweise einem Dämp- fungsverguss. Zu diesem Zweck kann das erste Gehäuseteil 122 beispielsweise eine oder mehrere Öffnungen 168 umfassen, welche nachträglich verschlossen werden können oder welche auch im Gehäuse 1 18 verbleiben können.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 ist der Ult- raschallwandler 1 10 also mit einem zweiteiligen Gehäuse 1 18, beispielsweise einer zweiteiligen Hülse, ausgestaltet. Eine Wandlerfront weist dabei in Figur 1 nach unten, dem fluiden Medium 120 zu. Ein entsprechender frontseitiger Hülsenteil kann beispielsweise ringförmig ausgestaltet sein. Zur Herstellung des Ultraschallwandlers 1 10 gemäß den Figuren 1 und 2 kann beispielsweise die Stirn- fläche 132 des ersten Gehäuseteils 122 auf die Abdichtfolie 142 aufgeklebt werden. Auch der Anpasskörper 1 16 kann auf diese Abdichtfolie 142 aufgeklebt werden, so dass diese Elemente fixiert sind. Als Abdichtfolie 142 kann beispielsweise Polyimid-Folie (beispielsweise Kapton) verwendet werden. In einem Spritzwerkzeug kann dann das Entkopplungselement 136 als akustische Ent- kopplung eingespitzt und/oder eingegossen werden, beispielsweise ein LSR-
Material. Anschließend kann das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 aufgeklebt werden, und die Verbindungselemente 148, beispielsweise die Kontaktpins, des Kontaktbügels 144 können auf dem Axialteil 128 eingerastet werden. Dabei kann, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, ein zusammenhängender Kon- taktbügel 144 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch einzelne Kontaktpins eingesetzt werden. Der Kontaktbügel 144 kann beispiels- weise nach der Montage des Ultraschallwandlers 1 10 geöffnet werden. Anschließend kann die Aufbringung der Kontaktierung 160 erfolgen. Beispielsweise können Kupferdrähte oder -Bändchen per Thermokompressionsschweißen auf den Piezoelektroden und/oder den Kontaktierflächen 158, beispielsweise den Kontaktlands der Kontaktpins, beispielsweise des Kontaktbügels 144, befestigt werden. Alternativ kann mindestens ein Teil des Kontaktbügels 144 direkt, beispielsweise durch eine Schweißung, auf den Piezoelektroden und/oder Kontaktierflächen 158 befestigt werden. Anschließend kann der rückseitige Hülsenteil in Form des zweiten Gehäuseteils 124 aufgesetzt werden und mit dem ersten Ge- häuseteil 122, beispielsweise dem Hülsenring, verbunden werden, insbesondere durch Ultraschallverschweißung. Anschließend kann ein Dämpfungsverguss und/oder anderes Füll- oder Dämpfungsmaterial 166 eingefüllt und ausgehärtet werden. Die rückseitige Öffnung 168 kann dabei nicht nur dem Einfüllen des Fülloder Dämpfungsmaterials 166 dienen, sondern kann auch einen Ausgleich ther- mischer Ausdehnungen des Dämpfungsvergusses innerhalb des Sensorbetriebsbereichs ermöglichen. Andererseits sollte diese Öffnung 168 lediglich so groß bemessen werden, dass sich das Wandlerinnere, also der Innenraum 164, bei Gegendruck des zu messenden fluiden Mediums 122, beispielsweise Luft, noch ausreichend an der Hülse nach hinten abstützen kann. Die Größe der öff- nung 168 und/oder deren geometrische Ausgestaltung kann zu diesem Zweck abhängig vom Füllvolumen bzw. der Füllgeometrie sowie der Härte und der Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien dergestalt ausgelegt werden, dass sich die dem fluiden Medium zugewandte Abstrahlfläche sowohl bei Druckbelastung als auch bei thermischer Belastung möglichst wenig bewegt.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellt Ultraschallwandler 1 10 stellt nur eines von mehreren Ausführungsbeispielen dar. Das Ausführungsbeispiel kann, wie auch andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, auf verschiedene Weisen vorteilhaft weitergebildet und/oder abgewandelt werden. So kann beispiels- weise eine innen liegende Entkopplung vorgesehen sein, welche nach außen eine wohldefinierte, harte und leicht abdichtbare mechanische Schnittstelle bietet. Das Material des Gehäuses 1 18 kann vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt werden, da Kunststoff eine besonders gute Entkopplungseigenschaft aufweist. Körperschallanteile, welche beispielsweise über das Dämpfungsmaterial 166, das Entkopplungselement 136 oder die Abdichtfolie 142 übertragen werden, werden aufgrund der Schalldämpfung des Kunststoffs ausreichend abgedämpft. Besonders geeignet ist ein Flüssigkristallpolymer (Liquid Crystal Polymer, LCP), da dieses besonders geeignet ist, um filigrane Strukturen herzustellen und da dieses gleichzeitig eine gute Eigendämpfung aufweist. Andere Materialien sind beispielsweise PPA, PBT, PEEK oder andere Kunststoffe. Die Kunststoff materia- lien können gefüllt oder ungefüllt eingesetzt werden, beispielsweise mit einer Füllung aus Glasfasern, Keramik, Carbon oder Ähnlichem. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, als Material für das Gehäuse 1 18 und/oder die Gehäuseteile 122, 124, auch Metall und/oder ein Verbundmaterial gewählt werden. Beispielsweise ermöglichen Metall als Hülsenmaterial und/oder in Kunststoff eingelegte Metallteile eine EMV-Abschirmung. Metall neigt allerdings eher zu lang andauernden Eigenschwingungen, die die Entkopplungseigenschaften beeinträchtigen könnten. Im Falle von Kunststoff als Hülsenmaterial beziehungsweise als Material des Gehäuses 1 18 kann der Kontaktbügel 144 auch beispielsweise in drei statt nur in zwei Segmente beziehungsweise elektrische Kontakte 152 aufgeteilt wer- den, von denen beispielsweise zwei Segmente zur Piezokontaktierung dienen und das dritte Segment eine ring- oder teilringförmige Schirmung des elektrischakustischen Wandlerelements 1 14 und/oder weiterer Teile des Ultraschallwandlers 1 10 darstellen kann. Wie oben dargestellt, kann als Material für die Abdichtfolie 142 beispielsweise
Polyimid (zum Beispiel Kapton) in Frage kommen. Weitere, alternativ oder zusätzlich einsetzbare Materialien sind beispielsweise fluorierte Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Teflon und/oder PEEK, andere Arten von Thermoplasten oder Duroplasten oder auch Beschichtungen, welche nicht als Folie aufgebracht werden, zum Beispiel Parylene, Lacke oder ähnliche Materialien.
Alternativ oder zusätzlich zur flächigen Verklebung der Abdichtfolie 142 mit dem ersten Gehäuseteil 122 kommen auch andere Verbindungstechniken in Frage. Weiterhin kann der Folienrand der Abdichtfolie 142 auch noch separat versiegelt werden. Dies kann beispielsweise gleichzeitig mit der Verklebung des Ultraschallwandlers 1 10 in ein übergeordnetes Sensorgehäuse erfolgen, welches in den Figuren nicht dargestellt ist. In einem derartigen übergeordneten Sensorgehäuse können beispielsweise auch mehrere derartiger Ultraschallwandler 1 16 angeordnet werden, wie es beispielsweise in dem oben zitierten Stand der Tech- nik und/oder in DE 10 2004 061404 A1 dargestellt ist. Die dort beschriebenen Sensoranordnungen können auch unter Verwendung eines Ultraschallwandlers 1 10 gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
Die Abdichtfolie 142 kann in einem eigenen Prozessschritt auf den Hülsenring des ersten Gehäuseteils 122 und auf den Anpasskörper 1 16 geklebt werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch eine Verbindung zwischen der Abdichtfolie 142 und dem ersten Gehäuseteil 122 und/oder dem Anpasskörper 1 16 auf eine andere Weise erfolgen, beispielsweise in einem Schritt mit dem Einbringen des Entkopplungselements 136, beispielsweise in einem Spritzgießwerkzeug, bei- spielsweise einem LSR-Werkzeug. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung auch zeitnah zum LSR-Prozess und/oder einem anderen Spritzgießprozess zur Einbringung des Entkopplungselements 136 erfolgen, beispielsweise durch den gleichen Andruck, der auch das Werkzeug, beispielsweise das LSR- Werkzeug, schließt beziehungsweise dichtet.
Alternativ oder zusätzlich können auch andere Arten von Entkopplungselementen 136 verwendet werden. So kann das Entkopplungselement 136 auch ganz oder teilweise als Formteil ausgestaltet und/oder montiert werden. Ein Vorteil dieses Vorgehens könnte in einer geringeren Belastung des Anpassschichtwerk- stoffs bestehen. Nachteilig hieran ist jedoch eine grundsätzliche aufgrund der weicheren Konsistenz höhere Toleranz. Eine weitere Variante, welche alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden kann, ist eine Anspritzung des Materials des Entkopplungselements 136, beispielsweise des LSR, lediglich an das erste Gehäuseteil 122 und optional die Abdichtfolie 142, während der Anpasskörper 1 16 in einem separaten Prozessschritt aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, wird.
Alternativ zum LSR-Prozess kann auch ein Dämpfungs- und/oder Entkopplungsmaterial mittels einer Gießtechnik eingebracht werden. Statt Silikon können auch andere Materialien eingesetzt werden. Das Entkopplungselement 136 kann als separater Stoff auch entfallen und/oder kann ganz oder teilweise mit dem
Dämpfungsmaterial 166 zusammengefasst werden. Beispielsweise kann ein einziger Vergussstoff verwendet werden, welcher einen Kompromiss aus Dämpfung und Entkopplung darstellt. Dies kann beispielsweise ein Silikonwerkstoff sein. Als Grundstoff sind auch beispielsweise flexibilisierte Epoxide mit weiteren Füllstof- fen denkbar. Weitere Modifikationen und/oder Weiterbildungen betreffen den Anpasskörper 1 16. Beispielsweise kann dieser gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Anpasskörper 1 16 aus Glashohlkugel-gefülltem Epoxid und/oder aus porös gesintertem Polyimid, beispiels- weise Polyimid vom Typ Vespel der Firma DuPont oder anderen Materialen und/oder auch Gradientenwerkstoffen bestehen, deren akustische Impedanz beziehungsweise deren Impedanzverlauf so gewählt ist, dass eine günstige Kopplung zwischen elektrisch-akustischem Wandlerelement 1 14 und fluidem Medium 120 gegeben ist. Zwischen dem elektrisch-akustischem Wandlerelement 1 14 und dem Anpasskörper 1 16 können eine oder mehrere zusätzliche Schichten platziert werden, die das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14, beispielsweise den Piezo, vor Verspannungen schützen, indem diese beispielsweise ein Ausdehnungskoeffizienten nahe dem Piezomaterial aufweisen (das heißt beispielsweise in der Größenordung von 10 ppm/K oder weniger) und eine ausreichende Dicke aufweisen. Diese mindestens eine Schicht kann gleichzeitig dazu dienen, offene
Poren des Anpasskörpers 1 16 gegenüber einem Klebstoff abzudichten, mit welchem das elektrisch-akustische Wandlerelement 1 14 befestigt wird. Diese mindestens eine optionale zusätzliche Schicht kann beispielsweise geklebt oder durch ein Molding-Verfahren aufgebracht werden und/oder Teil des Anpasskör- pers 1 16, beispielsweise der Anpassschicht, sein, insbesondere mit anderen thermischen/akustischen Eigenschaften.
Der Durchmesser des elektrisch-akustischen Wandlerelements 1 14 kann so gewählt werden, dass im Wesentlichen die Pianarresonanz zur Ultraschallerzeu- gung und/oder Ultraschalldetektion ausgenutzt wird. Die Dicke des elektrischakustischen Wandlerelements 1 14 kann einen Kompromiss darstellen. Je dünner beispielsweise der Piezo gewählt wird, desto flexibler wird er, was ihn bezüglich Thermoschocks stabiler gestaltet. Andererseits vollführt ein zu dünner Piezo zu starke Biegeschwingungen, die zusammen mit dem Anpasskörper 1 16 zu einem zu starken Temperaturgang des Ultraschallwandlers 1 10 führen können. Die
Verbindung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement 1 14 und dem Anpasskörper 1 16 beziehungsweise einer Ausgleichsschicht kann auch ohne separaten Klebstoff ausgeführt werden, beispielsweise indem ein Piezoelement direkt in den Anpasskörper 1 16 und/oder mindestens einen Zwischenkörper ein- gebettet wird. Die Verbindung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement 1 14 und dem Anpasskörper 1 16 und/oder der optionalen Ausgleichs- schicht kann so flexibilisiert werden, dass die Piezofunktion von der thermischen Veränderung des Anpasskörpers 1 16 beziehungsweise der Ausgleichsschicht oder durch Temperaturschocks nicht beeinträchtigt wird. Andererseits wird die Verbindung vorzugsweise genügend hart gewählt, dass eine ausreichende akustische Kopplung vorliegt. In der Regel kann hierfür ein Epoxy-basiertes Material verwendet werden.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Elektroden des elektrisch-akustischen Wandlerelements 1 14, beispielsweise des Piezos, und dem Kontaktbügel, welcher allgemein einen oder mehrere Kontaktpins umfassen kann, kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann, wie oben ausgeführt, eine Verbindung mittels Drähten, Bändchen, Folie oder auch Litzen erfolgen. Als Kontak- tierung kommt anstelle des genannten Thermo-Kompressionsschweißens grundsätzlich auch eine andere Technik in Frage. Beispielsweise bieten sich Leitkleben, Löten oder Drahtbonden an. Die Kontaktstellen oder auch die gesamte Verbindung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem Kontaktbügel 144 und/oder einzelnen Kontaktpins dieses Kontaktbügels 144 können mit einer harten Schutzmasse, beispielsweise einer Glob-Top-Masse und/oder mit weichem Silikon-Gel abgedeckt werden, um diese zu schützen, beispielsweise vor Korrosion. Die Kontaktpins können grundsätzlich auch mit einem der Gehäuseteile des Gehäuses 1 18 fest verbunden sein, beispielsweise als Einlegeteil beziehungsweise als Lead-Frame und/oder als umspritzte Teile.
Next Patent: AORTIC BIOPROSTHESIS AND SYSTEMS FOR DELIVERY THEREOF