CN102265121A - 用于在流体介质中使用的超声波换能器 - Google Patents

用于在流体介质中使用的超声波换能器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在流体介质中使用的超声波换能器(110)。该超声波换能器(110)包括至少一个压电式换能器元件(112)以及至少一个适配体(116)，所述适配体用于改善压电式换能器元件(112)和流体介质之间的振动耦合。该超声波换能器(110)还包括至少一个在压电式换能器元件(112)和适配体(116)之间置入的平衡体(118)，特别是至少一个中间层，用于减小热应力，其中，该平衡体(118)具有热膨胀系数(CTE中间)，该热膨胀系数处于压电式换能器元件(112)的热膨胀系数(CTE压电)和适配体(116)的热膨胀系数(CTE适配)之间。该平衡体(118)具有至少一种均匀的和/或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。

Description

用于在流体介质中使用的超声波换能器
技术领域
本发明涉及已知的换能器，它们例如可以在运动技术或汽车领域中用在超声波流量计中、特别是在内燃机的吸气行程和/或排气行程中用于测量体积流或质量流。在此典型地使用这样的超声波换能器，它们不仅可以发射超声波到流体介质(气体和/或液体)中而且也可以接收超声波。常见的是超声波信号通过流动的流体介质从一个发射器传输到一个接收器并且在此测量超声波信号的渡越时间、渡越时间差或相位或者也测量这些测量值的组合。这些信号受到流体介质的流动的影响。从渡越时间的影响程度能够推导出流体介质的流动速度。在DE 10 2007 010 500 A1中描述了这种超声波换能器的一个例子，该超声波换能器例如可以用在超声波流量计中。那里描述的设计也可以在本发明范围内根据本发明修改。借助这种超声波换能器能够例如导出在内燃机的系统控制内部的空气量信号。
背景技术
在常见的超声波换能器中通常使用压电式换能器元件，但这些换能器元件相对于周围的流体介质具有高的声学阻抗差异，例如相差6×105倍。由于该高的阻抗差异，通常99.9995％的超声波能量在从压电换能器元件到流体介质的路径上在相应的边界面上被反射并且不可用于测量。同样的反射损失还在进行接收的第二压电换能器元件上出现，该第二压电换能器元件也可以与第一换能器元件一样。为了改进压电换能器元件和流体介质之间的声学耦合，通常使用用于阻抗适配的措施。例如由现有技术如DE 102007 010 500 A1中已知超声波换能器，其中，在压电换能器元件和流体介质之间引入一个或者多个适配体，特别是适配层，用于阻抗适配。这些适配体具有处于压电元件的声学阻抗和流体介质的声学阻抗之间的声学阻抗。因此能够使用薄膜或λ/4层，在其上粘接通常薄的压电元件。
在已知超声波换能器中，一个特别的技术挑战在于适配体和压电换能器元件之间的连接。特别是在连接区域中在温度剧变时会发生损坏，这些损坏要归因于不同的热膨胀系数。热膨胀系数通常被称为CTE(coefficient ofThermal Expansion)并且以ppm/k或者以10-6/k说明单位温度变化的相对长度变化。例如许多适配体的热膨胀系数典型地高于30ppm/k，而大多数塑料和粘结剂具有高得多的热膨胀系数。相反，典型的压电陶瓷位于7ppm/k的范围内。但同时压电陶瓷由于微裂纹形成或退极化而通常对机械应力、特别是拉应力和/或剪应力反应极其敏感。这样的应力基于早些缓慢的应力松弛而特别是在快速温度剧变(TSW)时出现。压电陶瓷的这种机械老化通常还由于可能存在的纯热负荷或纯电负荷而大大加强。
为了在温度剧变时保护压电换能器元件，例如可以使用柔性化的粘结剂。这种柔性化的粘结剂、即自身或者通过引入相应的添加剂和/或填料而具有足够柔性的粘结剂，可以补偿上面所描述的由于适配体和压电陶瓷的不同膨胀而引起的应力。以这样的方式可以保证超声波换能器的足够的温度剧变稳定性。但这种柔性化的粘结剂通常在较高温度下是如此柔性，以致它们不再能促成压电换能器元件和适配体之间的足够的声学耦合。而非柔性的粘结剂虽然导致超声波换能器的较大的使用温度范围，但相反使得超声波换能器对温度剧变更敏感。即，在适配体和压电换能器元件的耦合方面，存在在宽的温度范围上的良好声学耦合与相对于温度剧变的高稳定性之间的目标冲突。
发明内容
为了解决上面所描述的问题，提出一种用在流体介质中的超声波换能器。在此对于超声波换能器一般性地理解为一个元件，该元件能够将电信号转变成超声波信号和/或相反。所提出的超声波换能器特别是如上面所描绘地能够用在超声波流量计中，特别是在车辆领域中，用于测量流体介质特别是气体特别是空气的速度、质量流、体积流、流量率或其它流体力学参量。但其它的使用领域原则上也是可行的。
所提出的超声波换能器具有至少一个压电式换能器元件以及至少一个适配体、特别是至少一个适配层，用于有利于压电式换能器元件和流体介质之间的振动耦合。在此，压电式换能器元件的概念可以宽泛地理解并且包含例如电-声学换能器，这些换能器可以根据铁电效应、静电效应、磁致伸缩效应、磁电效应或这些效应的组合来工作。该适配体如上面提及的那样用于改进超声波换能器和流体介质之间的耦合。因此该适配体应当具有至少一种具有阻抗的材料，该阻抗处于压电式换能器元件、例如压电陶瓷的阻抗和流体、例如空气的阻抗之间。对于该至少一个适配体、例如至少一个适配层的材料选择以及该适配体、例如适配层的其它构型，可以例如参考上面引用的DE 10 2007 010 500 A1和那里所描述的材料。
为了解决上面描述的目标冲突，提出，在压电式换能器元件和适配体之间引入至少一个平衡体，用于减小热应力。该平衡体也可以例如以至少一个中间层的形式构型和/或包括一这种中间层。在此提出，该平衡体如此构型，以致该平衡体的热膨胀系数CTE中间处于压电式换能器元件的热膨胀系数CTE压电和适配体的热膨胀系数CTE适配之间。在此，平衡体原则上也可以具有多个具有不同热膨胀系数的元件(例如层)。也可以考虑平衡体上的热膨胀系数连续的或不连续的改变，例如呈热膨胀系数梯度的形式。如果在平衡体中存在多个热膨胀系数，所述条件应当适用于平衡体的这些热膨胀系数中的至少一个，优选适用于所有的热膨胀系数。替换地或者附加地，所述条件例如也可以适用于热膨胀系数的平均值和/或适用于平衡体的最大和/或最小热膨胀系数。在此优选，该热膨胀系数CTE中间与压电式换能器元件的热膨胀系数比与适配体的热膨胀系数CTE适配更接近，特别是明显更接近。换句话说，提出，优选平衡体的热膨胀系数CTE中间和压电式换能器元件的热膨胀系数CTE压电之间的差小于、即在量值上小于适配体的热膨胀系数CTE适配和平衡体的热膨胀系数CTE中间之间的差。
该平衡体如此构型，使得该平衡体具有至少一种均匀的和/或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。在此属于“具有”的不仅有这种情况：除了该材料外还包含其它材质，而且有这种情况：平衡体完全由一种这样的材料组成。在此，对于均匀的或宏观上至少很大程度各向同性的材料，理解为一种材料，该材料例如与宏观取向的材料如纤维材料相反。在此，应当至少在一维上、优选在两维或者甚至三维上，至少在大于200μm、特别是大于100μm的尺度上基本不存在可识别的不均匀性和/或各向异性，例如取向性，优选在更小的尺度上，例如在小于50μm的尺度上。在此可以不考虑单个的、无意的以及统计学上出现的不均匀性，例如缩孔和/或脏污。
因为常见的压电陶瓷具有典型地小于10ppm/k的热膨胀系数，例如在7ppm/k范围内，所以特别优选的是，平衡体的热膨胀系数CTE中间在小于20ppm/k的范围内选择，优选在小于15ppm/k的范围内。适配体例如可以具有大于20ppm/k、特别是大于30ppm/k的热膨胀系数。由于在适配体和压电式换能器元件之间加入平衡体，也在可用于适配体的材料方面确保了较高的自由度。
此外，例如与纤维材料相反，平衡体也可以具有比通常使用的层更大的层厚。因此平衡体例如可以具有至少达0.5mm的层厚，即在压电式换能器元件和适配体之间的连接轴线上的尺寸。优选较大的层厚，例如至少1.0mm，特别优选至少1.5mm或者更大，特别是在使用例如具有8mm直径和2mm高度的圆柱形压电元件时。
平衡体可以特别是具有混合材料。在此对于混合材料理解为一种材料，该材料具有至少两种化学上不相互化合的成分。该混合材料特别是可以包含至少一种基体材料和至少一种填料。该基体材料可以例如具有一种通过聚合过程可硬化的和/或硬化的材料，特别是环氧树脂。该聚合过程可以例如化学地和/或热地和/或光化学地触发，其中优选热聚合过程。替代地或除了环氧树脂外附加地也可以使用其它的这种可聚合的材料，但其中，环氧树脂由于其小的热膨胀系数是优选的。这种环氧树脂例如在微电子技术、电路板制造、芯片壳体制造等中使用。环氧树脂也可以具有所需的柔度，以便确保平衡上面所描述的、压电式换能器元件和适配体之间的应力。
填料可以用于进一步减小热膨胀系数。所以可以例如使用常见的减小混合材料热膨胀系数的填料，例如石英，特别是石英粉和/或硅酸盐和/或陶瓷材料和/或纤维材料，例如碳素纤维材料。例如可以使用质量百分比70到95之间的填充度，特别是质量百分比80到90之间，例如质量百分比83。
在此平衡体可以以不同的方式制造。根据本发明也提出了用于制造超声波换能器的相应方法。因此该平衡体例如可以全部或者部分地通过铸造方法制造。在此可以使用不同的铸造方法，也可以组合使用。因此例如可以使用压铸方法和/或传递模制方法和/或圆片状模制方法和/或失模铸造方法。但替换地或者附加地也能够使用其它方法，例如烧结方法。平衡体可以直接在超声波换能器内或者上和/或在超声波换能器的预制组件内或者上产生，例如通过一种或多种所述方法，例如已经在超声波换能器的壳体中和/或在保留在超声波换能器中的失模中。由此可以同时进行与超声波换能器的其它构件具有形状锁合的连接的成形。在此该成形可以全部或者部分地通过其它构件和/或也全部或者部分地通过单独的模具进行。替代地或附加地，平衡体也可以全部或者部分地制成单独的构件，例如作为一个或者多个单独的成型件。关于可使用的失模铸造方法的细节，例如可以参阅上面描述的DE 10 2007 010 500 A1。
特别是与铸造方法相关、但也在其它制造方法中优选：超声波换能器具有至少一个固定元件，该固定元件设置用于固定压电式换能器元件和适配体之间的相对位置。因此例如可以使用间隔保持架、定心元件、卡锁钩或者类似元件，它们也可以组合使用。
如上所述，平衡体例如可以通过铸造方法产生。在此对于铸造方法可以应理解为一种方法，在该方法中，平衡体的原材料、例如平衡体的还可变形(例如可铸造)的原料借助相应的成形方法成形。与成形同时或者在成形后紧接着就可以转变成平衡体，例如通过可硬化的材料的硬化。替换地或者附加地，平衡体也可以包括至少一个成型件、特别是一圆片。该成型件例如可以作为单独的构件引入到超声波换能器中，例如超声波换能器的壳体中。该成型件也可以独立地通过铸造方法和/或通过其它方法制造。
该可选的成型件可以与压电式换能器元件和/或适配体连接，特别是通过材料锁合的连接。这里特别是可以选择粘接，其中，该成型件与压电式换能器元件和/或与适配体通过粘结剂粘接，该粘结剂优选具有处于压电式换能器元件的热膨胀系数CTE压电和适配体的热膨胀系数CTE适配之间的热膨胀系数CTE粘接。也可以采用中间分级。这样，适配体和平衡体之间的粘接的CTE粘接例如可以处于CTE适配和CTE粘接之间。附加地或替换地，平衡体和压电式换能器元件之间的粘接的CTE粘接可以处于CTE中间和CTE压电之间。优选可以对于一个或多个所述粘接使用一种粘结剂，该粘结剂至少部分地与平衡体的材料一样。例如又可以使用填充的环氧化物，以便产生材料锁合的连接。其它的其中使用不同粘结剂的方案也是可行的。
可选的成型件可以以不同的方式制造。因此该成型件、特别是呈环氧树脂圆片形式的成型件例如可以包括塑料材料。但替换地或者附加地，该成型件也可以全部或者部分地由非塑料材料制成，例如呈由玻璃制成的成型件的形式或者呈由陶瓷构成的成型件的形式。不同材料的组合也是可行的。适配体原则上例如可以构型成圆片、层或者其它形式。关于适配体的形状的可能构型例如可以又参见DE 2007 010 500 A1。因此平衡体也可以至少部分地包围配体并且也可选择至少部分地包围压电式换能器元件。特别是在这种情况下特别优选：适配体同时被用作用于制造平衡体的铸造方法的模具。
上面提出的超声波换能器以及相应的用于制造这种超声波换能器的方法与已知的超声波换能器和已知的方法相比具有许多优点。通过借助平衡体来适配热膨胀系数导致：或者在压电式换能器元件和直接邻接的材料(这里是平衡体)之间至少很大程度上不产生由热引起的机械应力，或者该应力大大小于平衡体和与其邻接的适配体之间的应力。因此保护该敏感的压电式换能器元件免受破坏，例如微裂纹形成和/或去极化，如在没有平衡体的情况下在温度剧变时经常出现的那样。此外由于平衡体的均匀性特性，平衡体与非均匀的材料、例如纤维编织物相比可以较厚地构造。这使得：较大部分或者全部CTE不协调可以在空间上远离压电式换能器元件地被移走，使得在压电式换能器元件的区域中也出现较小的应力。
此外，通过选择均匀的平衡体替代例如纤维状的中间层，可以消除该困难：将纤维垫直接定位在压电式换能器元件上并且固定在那里直到硬化。此外，在置入纤维的情况下稳定性通常敏感地取决于织物结构和织法。如果相反使用填料来确保所需的CTE并且这些填料至少很大程度上均匀地混入平衡体中，那么消除该敏感的影响因素，并且填料必然直接地或者足够近地贴靠在压电式换能器元件上。确保直接在压电式换能器元件处所需要的热膨胀系数的困难就从可能困难的纤维定位转移到平衡体的(例如平衡体的环氧化物块)的优选大多非常高的填充上。但后者优选有准备地并且在使用中发生，使得这里在大规模制造中可以得到制造优点。
此外，平衡体还可以在其它方面改进适配体和压电式换能器元件之间的连接。这样适配体例如可以至少部分地多孔地构型。但该多孔性可以使适配体和压电式换能器元件之间的粘接变得困难或不稳定，粘结剂例如可以漏进孔中。因此也会改变适配体的声学特性。在提出使用至少一个平衡体、特别是通过使用一个或者多个上面描述的制造方法、例如铸造方法、注塑方法或者传递模方法的情况下可以避开该困难。在这些制造方法中例如可以通过平衡体的材料将适配体的多孔表面封住。
附图说明
在附图中示出并且在后面的说明书中详细解释本发明的实施方式。
附图示出：
图1根据本发明具有平衡体的超声波换能器的实施例，
图2A和2B具有非柔性环氧粘结剂和柔性环氧粘结剂的常规超声波换能器的热剧变稳定性和温度范围，
图3A和3B具有平衡体的本发明超声波换能器的热剧变稳定性和温度范围，
图4A至4E本发明超声波换能器的不同实施例，
图5A至5D用于制造本发明超声波换能器的不同方法的例子，
图6A至6C制造具有固定元件的超声波换能器的实施例。
具体实施方式
在图1中以侧向剖视图示出本发明超声波换能器110的第一实施例。该超声波换能器110具有一压电式换能器元件112，该换能器元件例如可以构型成圆柱体的压电元件的形式。该压电式换能器元件112例如可以通过两个连接接触件114、例如接触线电接触，使得该压电式换能器元件112可以通过连接接触件114例如被加载以控制信号和/或可以通过连接接触件114输出压电式换能器元件112的信号。
在图1中示出的实施例中超声波换能器110还包括一适配体116。该适配体116用于改进压电式换能器元件112和流体介质之间的振动耦合，超声波信号要耦合到该流体介质中和/或超声波信号要从该流体介质耦合到压电式换能器元件112中。因此该适配体116被安置在压电式换能器元件112和在图1中没有示出的流体介质之间。该适配体116因此用于改进超声波信号范围内的声学耦合。优选该适配体116允许阻抗适配。这种适配体116的构型的例子可以参阅上述现有技术，尤其例如参见DE 10 2007 010 500 A1，其中描述了适配体116的可行的几何结构和材料，它们也可以转用到本发明上。适配体116例如构型成层，但也可以如图1中示出并且如下面详细描述的那样，也被用作熔模并且例如可以至少部分地包围被接收在适配体116和压电式换能器元件112之间的平衡体118。
在适配体116和压电式换能器元件112之间的至少一个平衡体118用于解决上述的在压电式换能器元件112和适配体116之间连接时的目标冲突。一方面，该耦合必须保证足够的温度剧变稳定性，使得原则上优选适配体116和压电式换能器元件112之间的非常软的耦合。另一方面，这种软耦合通常在较高温度下是柔性的，使得它们会不再促成压电式换能器元件112和适配体116之间的足够的声学耦合。而非柔性的耦合虽然导致超声波换能器110的使用温度范围较大，但也提高了相对于温度剧变的敏感度。
在图2A和2B中示出该目标冲突，其中示出在没有本发明平衡体118的常规构造的超声波换能器110上进行的测量。在此，图2A示出以第一测量的百分比描绘的超声波振幅，作为热剧变循环次数(在图2A中以TSW表示)的函数。该测量也标志超声波换能器110的热剧变稳定性。而图2B中也以百分比描绘超声波振幅，但在该情况下作为以℃表示的使用温度T的函数。因此该测量示出超声波换能器110的使用温度范围。
在此，使用了压电式换能器元件112和适配体116之间具有不同耦合的不同类型超声波换能器110。曲线120，122示出超声波换能器110上的测量，其中压电式换能器元件112通过硬的、非柔性的环氧粘结剂与适配体116连接。而测量124，126示出超声波换能器110上的测量，其中使用柔性化的环氧粘结剂用于压电式换能器元件112和适配体116之间的连接。
这些测量结果很好地描述了上述目标冲突。如图2A所示，就热剧变稳定性而言具有柔性化环氧粘结剂的超声波换能器110是有利的，因为柔性化的环氧粘结剂可以很好地平衡适配体116和压电式换能器元件112之间的热应力。而在超声波换能器110中使用非柔性的环氧粘结剂(曲线120)则在小的热剧变之后就导致超声波换能器110破坏。另外一方面，图2B中的测量明显示出，具有柔性化环氧粘结剂的超声波换能器110(曲线126)与具有非柔性环氧粘结剂的超声波换能器(曲线122)相比具有明显较小的使用温度范围。因此，这种超声波换能器110的标志性特性强烈依赖于当时的使用温度范围，该使用温度范围尤其在汽车领域中可以强烈波动。
而在图3A和3B中以与图2A和2B类似的示图示出测量128，130，这些测量被例如根据图1的本发明换能器110接收。在根据本发明的该换能器110中在压电式换能器元件112和适配体116之间加入平衡体118，该平衡体解决上述目标冲突。图3A的测量128又示出热剧变稳定性，从中可得知，本发明超声波换能器110的热剧变稳定性甚至比图2A中的在压电式换能器元件112和适配体116之间具有柔性化环氧粘结剂的测量124更好。根据图3B的测量曲线130示出，尽管热剧变稳定性改进了，但与图2B中的测量曲线126相比在该温度范围上存在明显改进的测量信号均匀性。这些测量明显示出根据本发明的具有平衡体118的超声波换能器110与常规超声波换能器110相比的优点，在常规超声波换能器中压电式换能器元件112与适配体116直接粘接。
在此，为了制造具有平衡体118的超声波换能器110，在实验室试验中使用了基于填充的环氧化物的平衡体118。在此，填充的环氧化物证明是特别有利的，这些环氧化物具有小于12ppm/k的热膨胀系数CTE中间。对于具有大约8mm直径和大约2mm高度的压电式换能器元件112，大于1.5mm的层厚度证明是有利的。在此，对于适配体116使用具有大于30ppm/k的热膨胀系数CTE适配的材料。总体至少对于填充的环氧化物有利的是，对于平衡体118使用大的层厚度和与压电式换能器元件112的热膨胀系数比与适配体116的热膨胀系数明显更接近的热膨胀系数。如果对平衡体118使用其它材料，例如确定种类的陶瓷和/或玻璃，这些有利范围会发生移动。
作为特别是可以构造为中间层的平衡体118的材料，尤其是考虑高填充的环氧树脂。填充物例如可以由石英粉和/或陶瓷材料组成。例如可以使用来自电子技术的圆顶封装体(globtop)和/或在电子封装技术中用于限界底部填充胶的壁材料作为平衡体118的材料，只要这些材料具有相对低的热膨胀系数。这类从其它电子技术领域已知的材料通常具有低的膨胀系数，以便例如对敏感的硅芯片或接触件提供机械保护，而不产生附加的热应力。但高填充度的副作用是也带来高的声阻抗，该声阻抗很好地适配于所使用的压电式换能器元件112。所述材质的高弹性模量又能使压电式换能器元件112和适配体116之间的声学耦合与例如在使用柔性化塑料时可达到的耦合相比显著改善，这些塑料通常用在超声波换能器110中防护热应力。在压电式换能器元件112和适配体116之间具有所述类型平衡体118的超声波换能器110能够以不同的方式构型和制造，如，替换地或者除了根据图1的构造之外附加地，根据图4A至6C示例性解释的那样。
在此根据图4A至4E的实施方式示出超声波换能器110，各具有一个适配体116和一个置入适配体116和压电式换能器元件112之间的平衡体118。全部实施例中的超声波换能器110附加地还可选性地包括至少一个减振元件132，该减振元件设置用于保证声信号尽可能快地衰减。以此方式例如可以确保，由压电式换能器元件112发出的声信号构造得比较短，使得能够避免彼此相继的信号相叠加。这种减振元件132例如可以包含塑料。在此例如能够使用硅和/或环氧化物和/或聚氨酯，它们例如能够通过铸造加工并且具有减振的特性。这里特别是也能够使用复合材料，例如由至少一种基体材料、特别是弹性体基体材料和/或热固性塑料基体材料和至少一种填料组成的复合材料。但热塑性基体材料原则上也是可行的。在此作为填料例如也可以考虑气体夹杂，例如气泡，例如其方式在于使用塑料泡沫。替代地或附加地例如也考虑固体夹杂，例如塑料空心球作为填料或者作为填料组成部分，例如充气的空心球。替代地或附加地也考虑较重的填料。图4A至4E示出，减振元件132的不同的布置和/或构型是可行的。这些减振元件132也可以全部地或者部分地作为模具、例如象在DE 10 2007 010500 A1中描述那样作为熔模用于制造超声波换能器110的其它元件。这些减振元件132例如可以全部地或者部分地作为熔模用于制造适配体116和/或平衡体118。这样，在根据图4A的实施例中，减振元件132在端侧、即在朝向流体介质的辐射侧包围适配体116以及在径向是包围适配体116和平衡体118。在根据图4B的实施例中，减振元件132附加地还至少部分地包围压电式换能器元件112。在根据图4E的实施例中，减振元件132至少部分地包围压电式换能器元件112，例如直到在图4E中没有示出的、超声波换能器110的可选的壳体的盖。根据图4C的实施例在包围平衡体118和适配体116方面很大程度上相当于根据图4A的实施例。在根据图4D的实施例中仅适配体116部分地被减振元件132包围。
在根据图4C至4E的实施例中除了减振元件132外附加地还设置了至少一个可选的脱耦元件134。该可选的脱耦元件134也可以在根据图4A和4B的实施例中设置，它用于压电式换能器元件112和/或适配体116和/或平衡体118与超声波换能器110的在附图中没有示出的可选的壳体之间的固体声脱耦。这种脱耦元件134也可以全部地或者部分地与减振元件132组合在一起，该脱耦元件134例如可以用非常软的材料制成。
为了确保脱耦，脱耦元件132例如可以具有弹性体材料，特别是硅材料和/或聚氨酯。例如能够使用液态硅(英语：liquid silicone rubber，LSR)。脱耦元件132一般可以具有至少一种塑料材料，特别是弹性体材料，该弹性体材料具有优选小于40、特别是小于25的肖氏A硬度。在此尤其也能够使用复合材料，例如由至少一种基体材料、特别是弹性体基体材料和至少一种填料组成的复合材料。在此作为填料例如考虑气体夹杂，例如气泡，其方式例如在于使用弹性体泡沫。替代地或附加地例如考虑固体夹杂，例如塑料空心球作为填料或者作为填料的组成部分，例如充气的空心球。
在此，在根据图4C的实施例中，脱耦元件134在端侧包围减振元件132以及在径向上包围适配体116、平衡体118和压电式换能器元件112。在图4D中设置了类似的结构。而在根据图4E的实施例中仅设置了通过脱耦元件134实现的径向包围以及脱耦元件134至少部分地嵌入到平衡体118的层平面中。如上所述，在根据图4A至4E的实施例中。减振元件132和/或脱耦元件134作为直接铸造所用的熔模用于制造超声波换能器110。上面已经描述的根据图1的超声波换能器110的实施方案也能够通过直接铸造、例如用填充的环氧树脂作为平衡体118来制造。在此，如上面已经描述的那样，例如使用轮廓化的适配体116，该适配体也可以用作熔模。在此，在连接、例如铸造时可以附加地进行压电式换能器元件112的固定，例如通过适配体116的一个突出部件、通过一个附加地一起铸造的固定元件和/或一个外部固定装置。这在图1中没有示出。
替换地或者除了使用具有熔模的直接铸造之外附加地，也可以借助外部模具136进行用于平衡体118和压电式换能器元件112和/或适配体116之间的连接的直接铸造，如在图5A至5D中以不同实施方式示出的那样。图5A和5B示出一些实施方案，其中，在适配体116上进行铸造，相反图5C和5D示出“反转”结构方案，其中，首先置入压电式换能器元件112、然后在其上通过直接铸造施加平衡体118和适配体116。此外，如图5B中表明，还可以可选地将至少一固定元件138施加到模型136中，该固定元件例如呈用于支承和/或定位的叠圆片的形式。
在图6A至6C中又示出一种结构变型，其中施加一固定元件138，该固定元件可以作为熔模保留在超声波换能器110中。在此，图6A示出穿过根据本发明构造的超声波换能器110的横截面，相反图6B仅示出固定元件138的横剖面，并且其中，图6C示出固定元件138的俯视图。在此可看到，例如可以构造成无侧凹的塑料成型件的固定元件138包括集成的固定辅助装置。在此在图6B和6A中，字母A表示用于压电式换能器元件112的支承面，而以R标记导向和卡锁钩，它们可以选择性地设置并且可以附加地固定压电式换能器元件112。根据图6B和6C的固定元件138可以例如被放置在适配体116上用于构建超声波换能器110。接着可以放置压电式换能器元件112并且铸造平衡体118。即，固定元件138例如作为单独的塑料成型件可以在例如用填充的环氧树脂直接铸造时同时作为熔模和作为固定辅助装置用于制造平衡体118。在此，固定轮廓可以如此薄壁地构造，使得固定元件138的材料特性基本不重要。因此例如可以使用具有高热膨胀系数的材料，这些材料不会可察觉地使压电式换能器元件112承受应力。在根据图6A的实施例中也还可以附加地设置至少一个减振元件132和至少一个脱耦元件134。在此，减振元件132和脱耦元件134的结构基本上相应于根据图4E的结构，使得可以参考上面的描述。
例如通过填充的环氧树脂和/或使用根据在图1，4A至4B，5A至5D或6A至6C中示出的实施方式之一的熔模来直接铸造以制造平衡体118，提供了制造技术上的简化和优点。该熔模也可以是适配体116的部件，如例如在根据图1的实施例中示出的那样。选择地或者附加地，也可以使用一个单独的构件用于制造过程期间的固定，该构件也可以与熔模是同一个件，例如呈根据图6A至6C中的实施例的固定元件138的形式。熔模也可以至少部分地与减振元件132和/或脱耦元件134是同一个构件，如在图4A至4E中所示。在后一种情况下熔模也可以本身构造为定位和/或固定辅助装置，如同例如在图4E中举例所示的那样。但也可以替换地或附加地使用一个单独的定位和固定件。在初始径向振动的压电式换能器元件112中，减振元件132优选至少也贴靠在压电式换能器元件112的圆柱体圆周上。通过该减振元件132，压电式换能器元件112在短的脉冲式激励后很快又振动衰减，这在超声波渡越时间测量中是有利的。脱耦元件134是超声波换能器110的对外机械接口或这种接口的一部分，并且可以避免超声波能量除了进入到流体介质中之外还可以作为固体声进入到超声波换能器110的机械环境中并由此导致干扰信号。熔模不必只用于铸造平衡体118，而是可以例如也用于铸造适配体116，例如填充有玻璃空心球的适配体，例如在环氧树脂基体中填充。在该情况下也可以放弃先前单独制造适配体116，而是也可以将适配体116直接在超声波换能器110中制造。直接铸造的优点是工艺过程成本更有利并且更可掌控。此外，压电式换能器元件112的电接触件也可以被简化，而例如不需要昂贵的电极几何结构。
上面所述的实施例全部示出通过直接铸造构建超声波换能器110。但所示的全部超声波换能器110也能够选择性地和替代地通过其它构造技术产生，例如通过产生单独的成型件，这些成型件接着被相应地接合。因此能够例如用填充的环氧树脂制成半成品，由这些半成品又能够通过相应的加工产生平衡体118。此外平衡体118还能够直接由原材料制成，例如也是填充的环氧树脂。这样制成的平衡体118然后能够例如通过使用同样的填充的环氧树脂而与压电式换能器元件112和/或适配体粘接。
平衡体118也能够以较大的形状制成，以便然后通过相应的加工具有所希望的形状。这样，例如可以在棒形模具中进行铸造，例如铸造填充的环氧树脂。这样制成的半成品可以然后例如锯成小圆片，这些小圆片然后又可以用作平衡体118和/或使用在这样的平衡体118中。替换地或者附加地，原材料、例如填充的环氧树脂块也可以直接地、例如在使用相应模具的情况下被弄成小圆片形状。这样可以例如使用打孔的板作为模具，该板被用填充的环氧树脂或所述原材料填充。接着可以在该板上刮削，以便获得光滑的表面。然后该打孔的板可以被压到作为终端的底板上，以便在硬化后使脱模容易。该模具可以例如包含聚四氟乙烯涂层和/或由聚四氟乙烯制成或由设有其它涂层的材料制成，以便进一步使脱模容易。硬化后的小圆片、例如环氧树脂小圆片然后可以例如作为衬件被置入到适配体116和压电式换能器元件112之间的粘接中。在此粘结剂也应当具有合适的热膨胀系数，优选具有至少很大程度上与平衡体118的材料一样的热膨胀系数。理想情况是粘结剂的材料至少很大程度上与平衡体118的材料、例如小圆片材料一样。平衡体118、例如中间层的厚度然后可以非常能再现地由小圆片厚度和粘接过程期间的压紧得出。与上面描述的直接铸造方法相比的优点还在于，平衡体118的厚度可以更容易地和更可再现地调整并且在构件本身上不需要模具或熔模。
在实验室试验中借助两种方法方案制造，即上面描述的直接铸造和包含单独平衡体118的方法。后一种方法在此通过一中间步骤通过铸造并锯开的棒进行。在此使用了Nagase公司的类型为R1007的填充环氧树脂，它具有10ppm/K的热膨胀系数。在从大约1.5mm起的厚度的情况下，上面根据图2A至3B所描述的目标冲突在使用两种制造方法的情况下借助根据本发明的超声波换能器110都被成功地克服，并且显示出大的温度范围和同时相对于热剧变稳定的性能。热剧变稳定性至少对于该同一制造者的类似材料随着热膨胀系数增加而消失。所以在实验室试验中已确定，在平衡体118的材料的热膨胀系数为17ppm/K时，压电式换能器元件112在热剧变时被损坏。
为平衡体118使用填充的环氧树脂是平衡体118的根据本发明的构型的一种优选方案。但替换地或者附加地原则上也能够使用其它的具有合适的热膨胀系数的材料。例如可行的是，在直接铸造中和/或在使用具有用于平衡体118的单独构件的制造方法的情况下，使用其它材料，例如玻璃和/或陶瓷。在这里也能够例如再产生单独的构件，这些构件然后可以例如用例如具有上面描述的特性的填充环氧树脂粘结剂粘接在适配体116和压电式换能器元件112之间。在这里也能够容易地调整平衡体118的厚度，并且在构件本身上不需要模具或者熔模。但原则上能够替换地或者附加地使用这种模具或者熔模。此外在该方法方案中，在制造半成品或者小板时不产生脱模困难，例如强粘附的环氧树脂块。
替换地或者除了上面所述的直接铸造和/或使用单独的构件来制造平衡体118之外附加地，可以考虑其它制造方法。因此平衡体118例如可以全部地或者部分地借助压铸工艺或传递模工艺制造并且这样施加到适配体116上。压铸工艺或传递模工艺可以例如类似于硅芯片封装地实施。这种工艺运用的优点在于提高了公差补偿。如果例如为了适配阻抗而使用适配体116，该适配体的几何公差对于后面的制造工艺是过大的，那么这些公差可以通过较小的、基于包括适配体116和平衡体118的耦合组件的模制工艺而受模具约束的公差来补偿。这尤其适用于这样的情况：适配体116机械地由半成品继续加工而成或者适配体在冲压和/或挤压模具中在预定挤压力和公差较粗的填充量或者颗粒浓度的情况下制造。
在适配体116的制造方面也存在许多可能性。适配体116例如可以包含设有空腔的材料，例如多孔的陶瓷、发泡的塑料、特别是热固性塑料和/或热塑性塑料，一般性地包含聚合物或者设有空心体的塑料。作为空心体例如可以考虑塑料空心体或玻璃空心体，优选玻璃空心球。对于适配体116的可能的、在本发明范围内也可以替换地或者附加地使用的材料，可以例如参考DE 10 2007 010 500 A1。如果使用塑料作为适配体116的基本材料或者基体材料，那么可以例如使用填充以玻璃空心球的环氧树脂材料。替换地或者附加地也可以例如使用聚酰亚胺，例如发泡的、烧结的或多孔的聚酰亚胺。这里作为例子要提到Dupont公司的VESPEL类型的聚酰亚胺。

Claims (13)

1.用于在流体介质中使用的超声波换能器(110)，包括至少一个压电式换能器元件(112)以及至少一个适配体(116)，所述适配体用于改善压电式换能器元件(112)和流体介质之间的振动耦合，该超声波换能器还包括至少一个在压电式换能器元件(112)和适配体(116)之间置入的平衡体(118)，特别是至少一个中间层，所述平衡体用于减小热应力，其中，该平衡体(118)具有热膨胀系数(CTE中间)，该热膨胀系数处于压电式换能器元件(112)的热膨胀系数(CTE压电)和适配体(116)的热膨胀系数(CTE适配)之间，其中，该平衡体(118)具有至少一种均匀的和/或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。
2.根据前述权利要求的超声波换能器(110)，其中，所述平衡体(118)的热膨胀系数(CTE中间)和所述压电式换能器元件(112)的热膨胀系数(CTE压电)之间的差小于所述适配体(116)的热膨胀系数(CTE适配)和所述平衡体(118)的热膨胀系数(CTE中间)之间的差。
3.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述平衡体(118)具有小于20ppm/k、优选小于15ppm/k的热膨胀系数(CTE中间)。
4.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述适配体(116)具有大于20ppm/k的热膨胀系数。
5.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述平衡体(118)具有最小0.5mm、优选最小1.0mm并且特别优选最小1.5mm的层厚。
6.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，该平衡体(118)具有混合材料，其中，该混合材料具有至少一种基体材料和至少一种填料。
7.根据前述权利要求的超声波换能器(110)，其中，所述基体材料具有至少一种通过聚合过程可硬化的和/或硬化的材料，特别是环氧树脂。
8.根据两个前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述填料包括下面的材料中的至少一种：石英，特别是石英粉；陶瓷材料；硅酸盐；纤维材料，特别是碳素纤维材料。
9.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，该超声波换能器还包括至少一个固定元件(138)，用于固定压电式换能器元件(112)和适配体(116)和/或平衡体(118)之间的相对位置。
10.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述平衡体(118)包括至少一个成型件、特别是一圆片，其中，该成型件与压电式换能器元件(112)和/或适配体(116)连接，特别是通过材料锁合的连接，特别是通过用粘结剂粘接，该粘结剂具有热膨胀系数(CTE粘接)，该热膨胀系数处于压电的换能器(112)的热膨胀系数(CTE压电)和适配体(116)的热膨胀系数(CTE适配)之间，优选用至少部分地与所述平衡体(118)的材料一样的粘结剂粘接。
11.根据前述权利要求的超声波换能器(110)，其中，所述成型件包括一塑料材料成型件、特别是环氧树脂圆片，和/或包括一玻璃成型件和/或一陶瓷成型件。
12.根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)，其中，所述适配体(116)至少部分地包围平衡体(118)，特别是作为用于制造平衡体(118)的铸造方法的模具。
13.用于制造根据前述权利要求之一的超声波换能器(110)的方法，其中，所述平衡体(118)全部地或者部分地通过铸造方法、特别是压铸方法和/或传递模制方法和/或直接铸造方法和/或失模铸造方法产生。
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