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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise
als Ultraschall-Durchflussmesser in der Verfahrenstechnik oder im
Automobilbereich, insbesondere im Ansaug- und/oder Abgastrakt von
Verbrennungsmotoren, zur Volumenstrom- oder Massenstrommessung eingesetzt
werden. Dabei werden typischerweise Ultraschallwandler eingesetzt,
welche sowohl Ultraschallwellen in ein fluides Medium (ein Gas und/oder
eine Flüssigkeit) emittieren können als auch Ultraschallwellen
empfangen können. Dabei werden üblicherweise Ultraschallsignale
durch das strömende fluide Medium von einem Emitter zu
einem Empfänger übermittelt und dabei die Laufzeit,
Laufzeitdifferenzen oder Phasen der Ultraschallsignale oder auch Kombinationen
dieser Messgrößen gemessen. Diese Signale werden
durch die Strömung des Fluids beeinflusst. Aus dem Grad
der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids schließen. Ein Beispiel derartiger Ultraschall-Durchflussmesser,
welcher in verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden kann,
ist in
DE 10 2004
060 064 A1 beschrieben.
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Bei
der Ultraschallströmungsmessung handelt es sich um eine
berührungslose, schnelle und zumindest teilweise über
den Strömungsquerschnitt integrierende Messmethode. Darüber
hinaus werden im Gegensatz zum thermischen Messverfahren keine filigranen
und empfindlichen Heizstrukturen innerhalb der Strömung
benötigt. Diese grundsätzlichen Vorteile können
je nach Einsatzbedingungen eine verbesserte Messgenauigkeit bewirken.
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Ein
Nachteil vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch
zumindest bei gasförmigen Medien im geringen Signalhub,
d. h. z. B. den geringen Laufzeitveränderungen, die das
Verfahren bei kleinen Strömungsraten häufig sehr
driftanfällig machen (ein Fehler, der auch oft als „zero flow
error" bezeichnet wird).
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Erschwerend
kommt hinzu, dass die von einem üblichen Ultraschallgeber
(z. B. einer Piezokeramik) erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung
in das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied
(ca. einen Faktor 6·105) überwinden
muss. Infolgedessen werden in der Regel ca. 99,9995% der Schallenergie
auf dem Weg von einer Piezokeramik in Luft an der entsprechenden
Grenzfläche zurückreflektiert und sind für die
Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflexionsverlust tritt nochmals
beim zweiten, empfangenden Wandler auf (welcher auch mit dem ersten
Wandler identisch sein kann).
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Um
die akustische Kopplung zwischen Piezoelement und dem zu messenden
Fluid zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen
zur Impedanzanpassung eingesetzt, was jedoch die möglichen
Ansätze für die Konstruktion der Ultraschallwandler
bereits stark einschränkt. So lassen sich zur Impedanzanpassung
beispielsweise Membranen einsetzen, auf die das meist dünne
Piezoelement aufgeklebt ist. In diesem Fall wird jedoch die Resonanzfrequenz
des Wandlers eher durch die Membran bestimmt als durch den Piezo
allein.
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Auch
andere Arten von Anpassschichten sind bekannt, welche auf das Piezoelement
aufgebracht werden. Eine Großserien-Fertigung von Luftultraschallwandlern
nach den bekannten Prinzipien beinhaltet jedoch aufwändige
und teure Prozessschritte. Insbesondere ist in vielen Fällen
eine spanende Bearbeitung der Anpassschicht erforderlich, was je
nach Werkstofftyp zu rauen Oberflächen führt, die
eine akustisch vorteilhafte dünne und reproduzierbare Klebung
erschweren. Auch bei einer Fertigung der Anpassschicht ohne spanende
Bearbeitung (z. B. in einem Gieß/Spritzprozess) bleibt
die Notwendigkeit eines separaten Klebeprozesses.
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Weitere
Einschränkungen bezüglich der zu nutzenden Ultraschallfrequenz
und des Wandlerdesigns ergeben sich für bekannte Ultraschallwandler aus
physikalischen Effekten wie Schallfeldformung im Fluid, Absorption
und Dispersion.
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Zusätzlich
zu diesen Designeinschränkungen kann aus üblichen
Zieltoleranzen für eine Strömungsmessung im Ansaugbereich
von PKW-Motoren die Anforderung abgeleitet werden, dass der oszillierende
Einschwingverlauf des Ultraschallwandlers zumindest im Sinne der
differenziellen Laufzeitmessung rein mechanisch immer näherungsweise exakt
gleich bleibt, und zwar mit einer Genauigkeit von beispielsweise
ca. 1/1000 einer einzelnen mechanischen Schwingung. Dabei gehen
in diesen mechanischen Einschwingverlauf neben Wandlergrunddesign
und Wandlergeometrie auch entscheidend die inneren Werkstoffeigenschaften
und Verbindungen der Werkstoffe untereinander ein. Dadurch ist es schwierig,
die bei einer thermischen Strömungsmessung üblichen
Toleranzen zu erreichen oder gar zu verbessern.
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Nachteilig
an bekannten Systemen ist also, dass diese in der Regel vom Design
her starken Einschränkungen unterworfen sind. Weiterhin
bieten die mechanische Stabilität bekannter Ultraschallwandler und
die Signalqualität und die Funktionstoleranzen in vielen
Fällen Potenzial für weitere Verbesserungen, und
die Herstellung ist zumeist noch zu aufwändig und teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern,
wie beispielsweise den oben beschriebenen Wandlern für
den Einsatz zur Strömungsmessung fluider Medien, insbesondere
im Ansaugtrakt und/oder im Abgastrakt und/oder im Abgasrückführungstrakt
und/oder nach einem Turbolader von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich.
Die Erfindung beruht wesentlich auf der Erkenntnis, dass Verbesserungen
bekannter Systeme hinsichtlich der oben beschrieben Nachteile bekannter
Systeme insbesondere durch eine verbesserte Aufbau- und Verbindungstechnik
innerhalb des Ultraschallwandlers und insbesondere in der Verbindungsstelle
zwischen Piezoelement und Impedanzanpassung erzielbar sind.
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Die
Erfindung schlägt daher einen Ultraschallwandler vor, welcher
mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens einen
Anpasskörper aufweist. Der Begriff des piezoelektrischen
Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise
elektrisch-akustische Wandler, welche nach elektrostatischen, magnetostriktiven,
piezoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten.
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Der
Anpasskörper weist wiederum mindestens eine Anpassschicht
zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem
piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenden fluiden Medium
auf. Die Anpassschicht umfasst mindestens ein Polymermaterial, wobei
das Polymermaterial durch mindestens eine der folgenden Verbindungen mit
dem piezoelektrischen Wandlerelement verbunden ist: eine kraftschlüssige
Verbindung, wobei der Kraftschluss durch den Anpasskörper
bewirkt wird; eine formschlüssige Verbindung, wobei der
Formschluss durch den Anpasskörper bewirkt wird; eine unmittelbare
(d. h. ohne Zwischenschaltung von Klebstoffen) adhäsive
und/oder kohäsive Verbindung zwischen einer Oberfläche
des piezo elektrischen Wandlerelements und einer Oberfläche
des Polymermaterials.
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Ein
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht also darin,
dass die Anpassschicht und/oder der Anpasskörper nach dem
Zusammenfügen des Ultraschallwandlers selbst und ohne Hinzunahme
weiterer Verbindungselemente beziehungsweise Verbindungsstoffe eine
Verbindung zum piezoelektrischen Wandler aufbaut. Die Verbindung
ist somit von sich aus mechanisch stabil und verbessert die Einkopplung
von Ultraschallsignalen in umgebende fluide Medien, wie beispielsweise
Flüssigkeiten, Gase oder Gemische daraus.
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Die
Erfindung beinhaltet insbesondere die Möglichkeit, eine
Piezokeramik in ein noch nicht vernetztes, mit Glashohlkugeln gefülltes
Epoxid- oder Polyesterharz einzubetten, welches bereits beim Aushärten/Vernetzen
eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung und/oder
eine Klebeverbindung zum Piezo aufbaut, ohne dass eine separate Klebung
oder Klemmung benötigt wird.
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Durch
den Wegfall der bei der üblichen Ausgestaltung von Anpassschichten
erforderlichen Prozessschritte der spanenden Bearbeitung und/oder der
Klebung kann dieses Aufbauprinzip kostengünstiger umgesetzt
werden. Außerdem entsteht durch Wegfall der spanenden Bearbeitung
keine raue Oberfläche, deren Unebenheiten durch Klebstoff
gefüllt werden müssten, so dass eine akustisch
günstigere und reproduzierbarere Kopplung zwischen Piezo
und Anpassschicht ermöglicht wird.
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Durch
den Wegfall der Klebung kann die Verbindung zwischen Piezo und Anpassschicht
außerdem so gestaltet werden, dass sich einerseits eine gute
akustische Kopplung einstellt und andererseits eine geringere Alterung
des Piezos (einschließlich dessen Polarisation) ergibt,
die insbesondere durch hohe thermische Belastungen und die entsprechenden
mechanischen Verspannungen an der Verbindungsstelle hervorgerufen
wird. Vorteilhaft lässt sich beispielsweise ein Kraftschluss
bzw. eine Klebung an den Piezoaußenseiten (beispielsweise
an einem Zylinderumfang eines zylinderförmigen Piezos)
mit einem Formschluss auf Elektroden (z. B. Silberelektroden) kombinieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgen den
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines bekannten Strömungsmesssystems,
in welchem der erfindungsgemäße Ultraschallwandler
einsetzbar ist;
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2 einen
bekannten Ultraschallwandler mit einer Anpassschicht;
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3 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers mit teilweise in den Anpasskörper eingebettetem
piezoelektrischen Wandlerelement;
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4 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers, bei welchem der Anpasskörper und das
piezoelektrische Wandlerelement durch Eigenklebung miteinander verbunden sind;
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5A ein
erstes Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung
in Draufsicht;
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5B das
Ausführungsbeispiel gemäß 5A in
Schnittdarstellung von der Seite;
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6A ein
zweites Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung
in Draufsicht;
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6B das
Ausführungsbeispiel gemäß 6A in
Schnittdarstellung von der Seite;
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7A ein
drittes Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung
in Draufsicht;
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7B das
Ausführungsbeispiel gemäß 7A in
Schnittdarstellung von der Seite;
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8 ein
Ausführungsbeispiel mit vollständiger Einbettung
des piezoelektrischen Wandlerelements in Schnittdarstellung von
der Seite;
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9A bis 9D verschiedene
Ausführungsbeispiele einer Einbettung eines piezoelektrischen
Wandlers mittels eines Zusatzteils in Schnittdarstellung von der
Seite;
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10A ein Ausführungsbeispiel mit Gießform
in Schnittdarstellung von der Seite;
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10B das Ausführungsbeispiel gemäß 10A in perspektivischer Schnittdarstellung schräg
von unten;
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11A ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem
Anpasskörper und piezoelektrischer Wandler in eine Vertiefung
eines Gehäusekörpers eingelassen sind;
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11B ein zu 11A alternatives
Ausführungsbeispiel; und
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12A bis 12D ein
Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens unter
Verwendung eines Halbzeugs.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Strömungsmesssystems 110 dargestellt,
in welchem erfindungsgemäße Ultraschallwandler 112 eingesetzt
werden können. Derartige Strömungsmesssysteme
lassen sich beispielsweise in der Verfahrenstechnik zur Messung
von Strö mungsraten einsetzen, oder in der Kraftfahrzeugtechnik
zur Messung von Ansaug und/oder Abgasluftmassen für eine Brennkraftmaschine.
Beispielsweise lässt sich mittels des Strömungsmesssystems 110 auf
folgende Größen des Gases (oder allgemein des
strömenden fluiden Mediums) schließen: auf eine
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, auf einen Massenstrom und/oder
(mittels Zusatzinformationen wie beispielsweise einem Druck) auf
eine Temperatur des Mediums. Auch andere Ausführungsformen
als die in 1 dargestellte Form und andere
Arten der Anwendung sind jedoch denkbar. Nicht dargestellt ist in 1 eine
in der Regel vorhandene Ansteuer- und Auswerteelektronik, welche
die Ultraschallwandler 112 ansteuert und empfangene Signale
entsprechend auswertet.
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Die
beiden Ultraschallwandler 112 sind in ein Strömungsrohr 114 eingebettet,
welches in einer Hauptströmungsrichtung 116 (oder
auch in Gegenrichtung) von einem fluiden Medium, beispielsweise einer
Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, mit einer Geschwindigkeit
v durchströmt wird. Bei Fluiden, die keine oder nur wenig
mitgeführte Partikel enthalten, besteht in der Regel nicht
die Möglichkeit, mit dem häufig verwendeten Dopplerverfahren
zu messen. Deshalb werden üblicherweise die Schalllaufzeiten,
Laufzeit-Differenzen oder Phasenunterschiede von Ultraschallsignalen
gemessen, die zwischen zwei Ultraschallwandlern 112 mit
einem Richtungsanteil in beziehungsweise entgegen der Hauptströmungsrichtung 116 hin
und her gesendet werden.
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Aus
der geometrischen Anordnung (Ultraschallweg der Länge L,
Verkippungswinkel α) und der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit
v ergeben sich die beiden Ultraschall-Laufzeiten zu:
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Die
Auflösung nach der Strömungsgeschwindigkeit v
ergibt: v = L(1/t1 – 1/t2)/2cosα
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Dabei
kann die Strömungsgeschwindigkeit in vielen Fällen
als Maß für die Volumenstromrate angesehen werden.
Diese Näherung gilt in erster Ordnung, d. h. bei gleichbleibendem
Geschwindigkeitsprofil über den Rohrquerschnitt ergibt
sich im Wesentlichen eine proportionale Relation zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Volumenstromrate, beziehungsweise lineare Kennlinie zwischen
diesen beiden Größen. Eine Multiplikation mit
der Dichte des fluiden Mediums (bei Gasen ~p/T) ergibt dann den Teilchenstrom
oder Massenstrom.
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Abweichend
von der in 1 dargestellten Geometrie sind
beispielsweise auch Messanordnungen bekannt, bei denen beide Ultraschallwandler 112 auf
derselben Rohrseite gegenüber einer Reflexionsfläche
angeordnet sind.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik
bekannten Ultraschallwandlers 112 dargestellt. Der Ultraschallwandler 112 umfasst
ein piezoelektrisches Wandlerelement 118 (im Folgenden
auch kurz „Piezo" oder „Piezoelement" genannt)
und eine Anpassschicht 120. Zwischen der Anpassschicht 120 und
dem Wandlerelement ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten
Ultraschallwandlern 112 eine (in 2 nicht
dargestellte) Klebeschicht eingebracht.
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Als
primäres elektrisch-mechanisches Wandlungsprinzip wird
in Ultraschallwandlern 112 z. B. der elektrostatische,
magnetostriktive, oder piezoelektrische Effekt ausgenutzt. Bei einer
Piezokeramik als primärem Wandlerelement ergeben sich unterschiedliche
resonante Schwingungsmoden, die je nach Geometrie mehr oder weniger
ausgeprägt sind beziehungsweise untereinander unterschiedlich
ge- oder entkoppelt sind. Bei einfachen quaderförmigen oder
zylindrischen Geometrien ergeben sich vor allem die folgenden Schwingungsmoden,
die alle zumindest prinzipiell zur Ultraschallwandlung eingesetzt
werden können:
- – Dickenschwingung
einer dünnen Piezoscheibe (reine Ausprägung dieser
Schwingungsmode insbesondere, wenn der Durchmesser der Piezoscheibe
größer ist als das Zehnfache der Dicke der Piezoscheibe);
- – Planarschwingung einer dünnen Piezoscheibe (reine
Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn der
Durchmesser der Piezoscheibe größer ist als das
Zehnfache der Dicke der Piezoscheibe);
- – Längsschwingung eines Piezozylinders longitudinal
(reine Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere,
wenn der Durchmesser des Piezozylinders kleiner ist als die Länge
des Piezozylinders dividiert durch 2,5);
- – Scherschwingung (reine Ausprägung dieser Schwingungsmode
insbesondere, wenn die Kantenlänge einer Piezoscheibe in
einer Dimension größer ist als das 3,5-fache der
Dicke oder der Breite der Piezoscheibe);
- – Längsschwingung transversal (reine Ausprägung
dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn die Dicke oder die Breite
der Piezoscheibe kleiner ist als die Kantenlänge, dividiert
durch 5).
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Für
die einzelnen Schwingungsformen existieren jeweils unterschiedliche,
materialabhängige Frequenzkonstanten Nx,
aus denen sich wie z. B. für die planar schwingende Scheibe
mit f = Np/D die Resonanzfrequenz berechnen
lässt (D = Dicke, Np in der Größenordnung
von 2000 Hzm). Als Piezomaterial kommen für breitbandige
Luftultraschallwandler insbesondere „weiche" Keramiken
mit niedriger mechanischer Güte Qm in
Frage (Größenordnung ca. Qm =
70), weil sich in diesem Fall eine kürzeres Ein- und Ausschwingen
realisieren lässt und der Impedanzunterschied zur Luft
bereits etwas reduziert ist. Andererseits wird eine möglichst
große elektromechanische Kopplung benötigt. Für
Ultraschallwandler 112 im Automobilbereich sollte insbesondere
für Motoranbaubedingungen die Curie-Temperatur möglichst
hoch sein. Eine häufig verwendete Keramik-Klasse mit diesen
Eigenschaften ist z. B. die so genannte „Navy Type II"-Klasse
(z. B. PZT5A-Keramik oder Keramik gemäß EN 50324-1
Typ 200).
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Abweichend
von den genannten Geometrieverhältnissen, die beim einzelnen
Piezoelement 118 zu den oben beschriebenen reinen Schwingungsformen
führen, können im Gesamtwandlerverbund andere
Geometrien vorteilhaft sein. Ist beispielsweise eine planar schwingende
Piezoscheibe auf einem weiteren Bauteil aufgebracht (z. B. Membran,
Anpassschicht, siehe unten), dann können bei dem oben angegebenen „optimalen"
Geometrieverhältnis „Durchmesser > 10·Dicke"
zusätzliche Biege-Moden entstehen, die eventuell aufgrund
von Empfindlichkeits- oder Temperaturgangs-Erwägungen unerwünscht
sind. Um diese störenden Schwingungsmoden zu unterdrücken
und wieder zur reinen Schwingungsform zurückzukehren, ist
in diesem Fall eine etwas dickere Piezoscheibe von Vorteil.
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Um
die akustische Kopplung zwischen Piezoelement 118 und dem
fluiden Medium zu verbessern, werden üblicherweise, wie
in 2 dargestellt, Maßnahmen zur Impedanzanpassung
eingesetzt (in 2 symbolisch und mit „Anpassschicht" 120 bezeichnet).
Insbesondere Gase haben eine sehr viel geringere akustische Impedanz
als Piezokeramik, so dass, wie oben beschrieben, im Piezoelement
erzeugte Schwingungen an der Grenzfläche Piezo/Gas in den
Piezo zurückreflektiert werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind unter anderem zwei unterschiedliche Grundansätze
zur Impedanzanpassung bekannt. Bei einem ersten Konzept wird zur
Anpassung als Element 120 in 2 eine Membran
verwendet, auf die das meist dünne Piezoelement 118 aufgeklebt
ist. Derartige Konzepte werden beispielsweise in Piezosummern oder
in Lautsprechern oder in räumlich breit abstrahlenden Abstandssensoren
eingesetzt. In diesem Fall wird, wie oben dargestellt, die Resonanzfrequenz
jedoch eher durch die Membran 120 bestimmt als durch den
Piezo 118 allein. Bereits eine geringe radiale Ausdehnung
oder eine leichte Verbiegung des Piezos mit Piezo-typisch hoher
Kraft führt aber zu einer starken Membrandurchbiegung,
die zwar keine große Kraft ausüben kann, aber
die leichten Gasmoleküle gut verdrängt, so dass
sich eine sehr effektive Ultraschalleinkopplung in das Gas ergibt.
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In
einem weiteren bekannten Konzept wird als Element
120 eine
so genannte „λ/4-Anpassungsschicht" zwischen dem
Piezo
118 und dem fluiden Medium verwendet. Für
den theoretischen Idealfall ebener monospektraler Wellen ergäbe
sich eine Energietransmission von 100% vom Piezo in das Gas, falls
die akustische Impedanz Z = c·ρ (c = Schallgeschwindigkeit
und ρ = Dichte) des Anpassschichtmaterials
120 das
geometrische Mittel der Impedanzen von Piezo und Gas wäre:
und dabei die Dicke der Anpassschicht
einer viertel Wellenlänge (λ/4) der Ultraschallwellen
in der Anpassschicht entspricht. Für Luft-Ultraschallwandler
112 auf
Basis eines Piezoelements
118, d. h. mit typischen Piezokeramiken,
Luft als zu messendem Medium und typische Schallgeschwindigkeiten
in Feststoffen ergeben sich jedoch für die Dichte ρ der Anpassschicht
in vielen Fällen unrealistisch niedrige Werte, die sich
zumeist nur mit wenig robusten Werkstoffen erzielen lassen.
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Mit
realen und robusten Werkstoffen lassen sich aber dennoch Verbesserungen
des Übertragungsverhaltens erzielen, auch wenn keine vollständige
Impedanzanpassung erreicht wird. Üblicherweise werden hierzu
Epoxid- oder Polyesterharze mit beigemengten Glashohlkugeln verwendet,
welche die Dichte ρ reduzieren. Abweichungen von einer rein
rechnerischen λ/4-Schichtdicke können vorteilhaft
sein, z. B. um eine Frequenzverschiebung des Piezos 118 auf grund
der mechanisch/akustischen Belastung auszugleichen, um die Abweichung
von der Bedingung ebener Wellen zu kompensieren oder um die Übertragungs-Bandbreite
des Ultraschallwandlers 112 zu beeinflussen.
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Ebenfalls
bekannt sind weitere Geometrievarianten, wie beispielsweise Anpassschichten 120, welche
breiter sind als der Piezo 118, Anpassschichten 120,
welche topfförmig ausgebildet sind, Anpassschichten 120 mit
Fasen an den abstrahlenden Oberflächen oder ähnliche
Varianten. Diese Geometrievarianten, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden können, haben meist ein optimiertes Schwingungs-
oder Abstrahlverhalten des Ultraschallwandlers 112 zum
Ziel. In speziellen Anwendungen, in denen es z. B. um eine sehr
effiziente oder sehr breitbandige Ultraschalleinkopplung geht, werden
darüber hinaus auch Ultraschallwandler 112 mit
mehreren übereinander liegenden Anpassschichten 120 unterschiedlicher
Schallimpedanz eingesetzt, was auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung
möglich ist (siehe unten, beispielsweise Beispiel gemäß 11B).
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Neben
der nahe liegenden Wandlergeometrie mit einem in Dickenrichtung
schwingenden Piezo 118 und einer als λ/4-Schicht
ausgebildeten Anpassschicht 120 ist auch die Verwendung
der Planar-Resonanz in Verbindung mit einer λ/4-Anpassschicht bekannt.
In diesem Fall können sowohl die planaren Schwingungsanteile
in die Anpassschicht 120 eingekoppelt werden als auch die
Dickenschwingungsanteile, die sich durch Querkontraktion des Piezos 118 ergeben.
Durch diesen Ansatz kann bei einer fest vorgegebenen Ultraschallfrequenz
die Piezodicke deutlich reduziert werden, weil diese Abmessung nicht
mehr primär frequenzbestimmend ist.
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Gemäß dem
Stand der Technik wird üblicherweise die Impedanzanpassungsschicht 120 bei
einem Luft-Ultraschallwandler 112 separat gefertigt. Häufig
wird dazu ein mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxid- oder
Polyesterharz eingesetzt, welches in eine Form gebracht und ausgehärtet
wird. Durch anschließende spanende Bearbeitung wird dann
die gewünschte Detailgeometrie erzielt, bevor der Piezo 118 mit
einem separat aufgetragenen Klebstoff aufgeklebt wird.
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Weiterhin
ist in dem Ultraschallwandler 112 gemäß dem
Stand der Technik in 2 symbolisch eine elektrische
Kontaktierung des Piezos 118 über Elektroden 124 und
Zuleitungen 126 angedeutet, wie sie auch gemäß der
Erfindung eingesetzt werden kann. Stand der Technik sind unterschiedlichste Elektrodenformen
auf der Piezooberfläche. Bei zylindrischen Piezokeramiken
sind häufig die beiden ebenen Flächen metallisiert
(beispielsweise mittels einer Dick schichtpaste oder mittels gesputterter
Dünnschichten wobei auch Kombinationen mehrerer Techniken
möglich sind). Zur einseitigen Kontaktierung kommen auch
herumgezogene Elektroden zum Einsatz, welche in mehreren Ausführungen
von kommerziell erhältlichen Piezos 118 bekannt
sind. Als Kontaktierungsverfahren dient meist Löten, Leitkleben
oder Thermokompressionsschweißen. Alternativ kann ein elektrisch
leitfähiges Anschlusselement mit Vorspannung auf den Piezo
gedrückt werden (Andruck z. B. über eine Verstemmung,
eine Feder oder eine Schraube).
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Ebenso
gibt es Piezokeramiken, die zwar elektrisch polarisiert sind, aber
selbst keine Elektrode besitzen. In diesem Fall kann eine separate
Elektrode (z. B. eine Metallfolie, ein Metallplättchen,
ein Metallring, ein Metallnetz oder ähnliche Elemente oder Kombinationen
dieser Elemente), die bereits Teil der weiteren Kontaktierung sein
kann, beispielsweise mittels einer Vorspannung, mittels eines Klebstoff oder
mittels eines Leitklebers (oder Kombinationen dieser Techniken)
auf die Piezooberfläche aufgebracht werden.
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Neben
den in 2 dargestellten Elementen kann der Ultraschallwandler 112 (sowohl
nach dem Stand der Technik als auch nach der Erfindung) noch weitere
Elemente umfassen, die in 2 nicht
dargestellt sind. So ist es insbesondere bevorzugt, wenn Dämpfungselemente
vorgesehen sind, mittels derer die Schwingungen des Piezos gedämpft
werden können. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Dämpfungselement
rückseitig (d. h. auf der der Anpassschicht 120 abgewandten
Seite) und/oder auch an anderen Stellen, beispielsweise umfangsseitig den
Piezo zumindest teilweise umgebend (z. B. zum Dämpfen von
Radialschwingungen) in Kontakt mit dem Piezo 118 vorgesehen
sein. Dieses Dämpfungselement (oft auch als „Backing"
bezeichnet) kann demenstprechend beispielsweise als Dämpfungsschicht
und/oder als Dämpfungsverguss ausgestaltet sein, und/oder
als separates Dämpfungselement. Als Materialien kommen
beispielsweise Silokon-artige Stoffe in Betracht sowie andere Dämpfungsmaterialien,
wie beispielsweise Schmelzkleber. Auch Füllstoffe können
enthalten sein, beispielsweise Glashohlkugeln, Kunststoffkugeln,
Kunststoffhohlkugeln, Glasmehl oder ähnliche Füllstoffe
oder Mischungen davon, welche insbesondere Schall in Wärme
umwandeln können.
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In
den 3 und 4 sind zwei mögliche Ausführungsbeispiele
von Ultraschallwandlern 112 gemäß der
Erfindung in Schnittdarstellung von der Seite dargestellt. In den
Beispielen wird der Ultraschallwandler dabei derart eingesetzt,
dass das fluide Medium sich jeweils in den Figuren unterhalb des Ultraschallwandlers 112 befindet.
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Die
Ultraschallwandler 112 weisen piezoelektrische Wandlerelemente 118 auf.
Dabei sei angenommen, dass diese zylindrische Piezoscheiben aufweisen,
mit einem Scheibendurchmesser A und einer Scheibendicke B. Vorzugsweise
werden für Strömungsmessungen im Ansaugtrakt und/oder
Abgastrakt (bzw. Abgasrückführtrakt) von Brennkraftmaschinen
Piezos 118 mit einem Durchmesser A zwischen ca. 5 mm und
ca. 20 mm eingesetzt. Typische und bevorzugte Dicken B liegen zwischen
0,08·A und 0,7·A. Auch andere Piezogeometrien
sowie andere Arten von Piezos (z. B. PZT-Composites, PZT-Stacks etc. – siehe
unten) sind jedoch einsetzbar.
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Für
Anwendungen mit Luftultraschall eignen sich eher niedrigere Frequenzen
(< ca. 500 kHz),
da mit zunehmender Frequenz (und/oder zunehmender Luftfeuchte) die
Absorption des Schalls in der Luft ansteigt. Für Anwendungen,
die eine hohe Zeitmessgenauigkeit erfordern, eignen sich dagegen
eher möglichst hohe Frequenzen. Andererseits ist zu beachten,
dass bei einem großen Strömungs-Messbereich zeitliche
Verschiebungen über mehrere Ultraschallperioden auftreten:
Deshalb sollte bei begrenzter Bandbreite der Ultraschallwandler 112 die
Frequenz nur so hoch sein, dass eine Phasen- oder Nulldurchgangsmessung
noch eindeutig der richtigen Ultraschallschwingungsperiode zugeordnet
werden kann. Zusätzlich sollte ein ausreichender Frequenzabstand
zu Schüttelbeanspruchungen und Körperschall-Störquellen
eingehalten werden, die meist im niederfrequenteren Bereich liegen.
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Insgesamt
stellt für eine Strömungsmessung der Ansaugluft
in einer Brennkraftmaschine im Kraftfahrzeugbereich der Frequenzbereich
von ca. 100 kHz bis ca. 400 kHz einen sinnvollen Kompromiss dar.
Je nach Auswertungsverfahren und Messgeometrie ist insbesondere
ein eingeschränkter Bereich z. B. zwischen 170 kHz und
250 kHz besonders vorteilhaft. Für weitere Anwendungen
ist die Erfindung jedoch grundsätzlich auch auf andere
Frequenzbereiche übertragbar. Derartige Frequenzbereiche
sind mit verschiedenen Piezomaterialien, beispielsweise mit PZT-Keramiken
oder anderen keramischen Piezomaterialien, erreichbar.
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Um
Frequenzen im zuvor genannten Zielbereich mit einer Piezokeramik
zu erzeugen, kommen prinzipiell die oben beschriebenen Geometrien
und Schwingungsmoden in Frage. Wird gleichzeitig eine größere
Apertur des Ultraschallwandlers 112 gewünscht,
dann ist der Grundaufbau gemäß 2 am sinnvollsten,
beispielsweise in Verbindung mit der oben beschriebenen Geometrie
(Dicke, Durchmesser) der Piezoelemente 118. Dabei wird
vorzugsweise der Durchmesser A so gewählt, dass sich die
gewünschte Ultraschallfrequenz in etwa als Radial-Resonanz (oder
Planarschwingung) des reinen Piezos 118 ergibt. Die Dicke
B wird vorzugsweise so gewählt, dass sich einerseits keine
ungünstigen Kopplungen unterschiedlicher Schwingungsmoden
ergeben und andererseits keine zu starke Durchbiegung der Keramik
infolge thermischer Verspannungen mit einer aufgebrachten Anpassschicht 120 zur
Impedanzanpassung einstellt.
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Weiterhin
weisen die Ultraschallwandler 112 gemäß den
Beispielen in den 3 und 4 Anpasskörper 128 auf,
wobei die Anpassschicht 120 einen Bestandteil dieser Anpasskörper 128 bildet.
Dabei bildet in den dargestellten Beispielen die gesamte Schicht,
die sich zwischen dem Piezo 118 und dem fluiden Medium
befindet, die Anpassschicht 120.
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Die
Anpassschicht 120 besitzt sinnvollerweise vorzugsweise
einen ähnlichen Durchmesser wie das piezoelektrische Element 118.
Bewährt haben sich dabei Durchmesser, die etwas größer
gewählt sind als derjenige des Piezos 118. Die
Dicke D der Anpassschicht (siehe auch 2) wird
vorzugsweise in etwa auf ein Viertel der Wellenlänge des
Ultraschalls gemäß der Schallgeschwindigkeit im
Werkstoff der Anpassschicht 120 eingestellt.
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Durch
Aufbringung der Anpassschicht 120 auf den Piezo 118 ändert
sich die tatsächliche Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 112,
so dass die Dicke D der Anpassschicht 120 auf die entsprechend
verschobene Wellenlänge einzustellen ist. Eine weitere
Feinanpassung der Dicke D ist sinnvoll, wenn z. B. die Ultraschallamplitude,
die Ultraschallbandbreite oder der entsprechende Schwingungsverlauf
optimiert werden soll. Der Werkstoff der Anpassschicht 120 ist
so gewählt, dass die Schwingungskopplung zwischen Piezo 118 und
dem fluiden Medium (z. B. Luft) begünstigt wird (siehe
oben). Hierzu ist eine nicht zu hohe Eigendämpfung in Verbindung
mit einer geeigneten Schallimpedanz erforderlich. Die Schallimpedanz
muss nicht zwingend (wie oben beschrieben) im geometrischen Mittel
zwischen der Impedanz der Piezokeramik und derjenigen der Luft liegen.
Durch Impedanzen im Bereich von z. B. 0,5 MRayl bis 1,5 MRayl sind
brauchbare Amplituden bei günstiger Wandler-Bandbreite
erzielbar. Als Werkstoff für die Anpassschicht 120 kommen insbesondere
Epoxy-Harze, ungesättigte Polyester oder andere BMC-Massen
(BMC: bulk molding compound) mit Glashohlkugel-Beimengungen oder
auch Werkstoffe auf Polyimid-Basis in Frage.
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Wie
oben beschrieben, ist eine Klebestelle als Verbindung zwischen Piezo 118 und
Anpassschicht 120 insbesondere hinsichtlich der Kombination
aus akustischen und mechanisch/thermischen Anforderungen besonders
kritisch. Diese Problematik kann, wie in den 3 und 4 dargestellt,
entschärft werden, indem kein separater Klebstoff verwendet
wird. Stattdessen kann beispielsweise der Piezo 118 in
Kontakt mit dem Werkstoff der Anpassschicht 120 gebracht
werden, bevor dieser seine Endfestigkeit erreicht hat. Beim Aushärten
des Werkstoffes entsteht dann eine feste Verbindung zwischen Piezo 118 und
Anpassschicht 120.
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Für
diese „Direkteinbettung" kommen unterschiedliche Geometrien
in Frage, die in den 3 beziehungsweise 4 dargestellt
sind. Dabei zeigt 3 eine „massive" Einbettung,
bei welcher der Piezo 118 mehr oder weniger in die Anpassschicht 120 beziehungsweise
den Anpasskörper 128 eingesenkt ist. Die Einbettungstiefe
E kann variiert werden von bündig aufgesetztem Piezo 118 (E
= 0) bis vollständig eingebettetem Piezo (E = B, mit B
= Piezodicke). Auch darüber hinausgehende Einbettungstiefen
sind jedoch prinzipiell denkbar, also E > B.
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In 4 ist
als zweite Variante der Direkteinbettung eine bündige oder
leicht über der Oberfläche der Anpassschicht 120 liegende
Anordnung des Piezos 118 dargestellt. Vorzugsweise bildet
der Piezo 118 auch in diesem Fall einen flächigen
Kontakt mit der Anpassschicht 120 aus. Dabei kann vorzugsweise,
insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Stabilität,
am Rand des Piezos 118 ein Meniskus 130 des Materials
der Anpassschicht 120 ausgebildet sein. Der flächige
Kontakt zwischen Piezo 118 und dem Material der Anpassschicht 120 kann
z. B. auch durch eine weitere Schicht vermittelt werden, die hauptsächlich
aus Klarharz besteht und welche dann Teil der Anpassschicht 120 ist
(diese ist dann mehrschichtig ausgebildet).
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Der
Durchmesser R des Anpasskörpers 128 ist (siehe 3)
in beiden Fällen vorzugsweise größer
gewählt als der Durchmesser A des Piezos 118. Bevorzugte
Durchmesser R für eine gute Abstrahlung liegen im Bereich
zwischen B = 1,0·A und B = 1,5·A.
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In
den 5A bis 7B sind
drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Ultraschallwandlern 112 mit
einer kraftreduzierten Direkteinbettung dargestellt (jeweils in
Figur A als Draufsicht von oben und Figur B als Schnittdarstellung
von der Seite). Bei der kraftreduzierten Direkteinbettung wird jeweils
der Piezo 118 durch geeignete Geometrie einer verwendeten
Gießform (in den Figuren nicht dargestellt) so in das Materials
des Anpasskörpers 128 eingebettet, dass der Piezo 118 teilweise
von diesem Material umschlossen wird. Durch die Umschließung
kann die dauerhafte Verbindung zwischen Piezo 118 und Anpasskörper 128 verbessert
werden, da sich eine Mischung aus Stoff- und Kraftschluss ergeben
kann.
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Weiterhin
können zum Zweck der Kraftreduzierung Aussparungen 132 im
Anpasskörper 128 vorgesehen werden (beispielsweise
durch entsprechende Ausgestaltung einer Gießform oder eines
anderen Werkzeuges). Durch die teilweisen Aussparungen 132 kann
die Kontaktfläche zwischen Piezo 118 und Anpasskörper 128 an
kritischen Stellen so verringert werden, dass ungünstige
thermische Verspannungen und Alterungen des Piezos 118 reduziert werden.
Diese Ausparungen 132 können über dem Piezo 118 angeordnet
sein (d. h. stirnflächenseitig auf der der Anpassschicht 120 abgewandten
Seite), wie beispielsweise in den 5A und 5B dargestellt,
oder können, alternativ oder zusätzlich, auch umfangsseitig
am Piezo 118 angeordnet sein, wie in den 7A und 7B dargestellt.
Auch Kombimationen sind denkbar. Dies ist in 7A und 7B gezeigt,
wo die Aussparungen 132 sowohl umfangsseitig am Piezo 118 angeordnet
sind als auch, da der Anpasskörper 128 den Piezo 118 überkragt,
teilweise oberhalb des Piezos 118 angeordnet sind. Die
Aussparungen ermöglichen an verschiedenen Stellen einen
Zugang zum Piezo 118. Die Aussparungen 132 können
zudem dazu genutzt werden, den Piezo 118 während
des Einbettungsvorgangs zu fixieren und/oder die Aussparungen 132 werden
gerade durch Fixierungshilfen (beispielsweise Haltestifte in einer
Gießform oder einem anderen Werkzeug) erzeugt. Weiterhin
können die Aussparungen auch mit Dämpfungsmitteln
gefüllt werden und stellen somit Teil eines Dämpfungskörpers
dar Des Weiteren können die Aussparungen 132 dazu
genutzt werden, ein zusätzlich angebrachtes Dämpfungsmaterial
(in den Figuren nicht dargestellt) in direkten Kontakt mit dem Piezo
zu bringen. Die elektrischen Zuleitungen 126 des Piezos 118 können
entweder durch das Material des Anpasskörpers 128 oder
durch die Aussparungen 132 geführt werden.
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In 8 ist
ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt,
welcher eine weitere Variante zu den in den 3 und 4 dargestellten
Beispielen darstellt. Hierbei ist die Einbettungstiefe E des Piezos 118 in
den Anpasskörper 128 größer
als die Piezodicke B, so dass der Piezo 118 vollständig
in das Material des Anpasskörpers 128 eingebettet
ist. Ansonsten ist die obige Beschreibung zu den 3 und 4 jedoch
weitgehend auf das Ausführungsbeispiel gemäß 8 übertragbar.
Vorzugsweise werden Schichtdicken D der Anpassschicht 120 von
0,7·λ/4 bis 1,3·λ/4 verwendet,
Durchmesser R des Anpasskörpers 128 zwischen 1,1·A und
1,5·A und Einsenktiefen F = E – B von 0,1·D
bis 1,0·D.
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In
den bisherigen Ausführungsbeispielen gemäß den
oben dargestellten Figuren war jeweils der Anpasskörper 128 einstückig
ausgebildet, wobei die Anpassschicht 120 einen integralen
Bestandteil des Anpasskörpers 128 bildete. Dass
dies nicht zwingend der Fall sein muss und dass beispielsweise auch
mehrstückige oder mehrschichtige Aufbauten des Anpasskörpers 128 denkbar
sind, zeigen die Ausführungsbeispiele in den 9A bis 9D. Hier
ist jeweils der Piezo 118 mittels eines Zusatzteils 134 in
den Anpasskörper 128 eingebettet, wobei das Zusatzteil 134 dann
im zusammengesetzten Zustand einen Bestandteil des Anpasskörpers 128 bildet.
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Das
Zusatzteil 134 kann beispielsweise aus einem thermoplastischen
oder duroplastischen Kunststoff oder einem Elastomer hergestellt
sein, und/oder auch aus einem metallischen Werkstoff, z. B. wenn
das Zusatzteil 134 ganz oder teilweise auch elektrische
Zuleitungen 126 für den Piezo 118 umfasst.
Dieses Zusatzteil 134 kann während des Einbettvorgangs
zur temporären Fixierung des Piezos 118 genutzt
werden. Weiterhin kann das Zusatzteil 134 im fertigen Ultraschallwandler 112 thermische Verspannungen
des Piezos 118 aufgrund von Wärmeausdehnung des
Materials des umgebenden Anpasskörpers 128 reduzieren.
Gleichzeitig kann das Zusatzteil 134 eine kraftschlüssige
Einbindung des Piezos in den Anpasskörper 128 begünstigen und/oder
kann die Schwingung des Piezos 118 oder des Anpasskörpers 128 zumindest
teilweise dämpfen. Weiterhin kann (wie beispielhaft in 9B gezeigt)
auch ein Teil der elektrischen Kontaktierung des Piezos, insbesondere
die elektrischen Zuleitungen 126 und/oder die Elektroden 124,
integriert werden. Beispielsweise kann das Zusatzteil 134 ganz oder
teilweise aus leitfähigem Kunststoff hergestellt sein,
um so zumindest teilweise die Elektrode 124 und/oder die
Zuleitungen 126 zum Piezo 118 zu ersetzen. Der
restliche Anpasskörper 128 kann dann aus isolierendem
Material hergestellt sein, um eine elektrische Isolierung nach außen
zu gewährleisten.
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Die 9A bis 9D zeigen
jeweils verschiedene Ausführungsformen dieses Konzeptes
der Verwendung eines Zusatzteils 134. Dabei zeigen die 9A bis 9C Ausführungsbeispiele
mit nach oben weisenden Öffnungen 132, wohingegen 9D ein
Ausführungsbeispiel mit vollständig eingebettetem
(z. B. eingegossenem) Piezo 118 und Zusatzteil 134 darstellt.
Weitere mögliche Ausführungsformen sind zumindest
teilweise käfigförmige Strukturen des den Piezo 118 umspannenden
Zusatzteils, das mit in den Anpasskörper 128 eingebettet
wird.
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In
den 10A und 10B ist
ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 112 mit
einer Gießform 136 in Schnittdarstellung von der
Seite (10A) beziehungsweise in perspektivischer
Darstellung schräg von unten (10B)
dargestellt. Dabei wird ein Gießverfahren mit einer „verlorenen Form"
umgesetzt, was auch, alternativ oder zusätzlich zu anderen
Formgebungsverfahren, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
zur Anwendung kommen kann.
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Hierzu
wird als Gießform 136 beispielsweise eine tiefziehfähige
(und vorzugsweise plasmabehandelte) Polyimid-Folie verwendet, die
in eine weitere Gießform eingebracht wird oder selbst als
Gießform vorgefertigt wird. Beispielsweise können
Foliendicken von 5 bis 200 Mikrometern verwendet werden, je nach
den eingesetzten Materialien des Anpasskörpers 128.
In die Form 136 wird anschließend der Piezo 118 und
das (noch flüssige und/oder fließfähige) Material
des Anpasskörpers 128 eingebracht. Dabei sind
wiederum verschiedene Einbettungstiefen realisierbar, beispielsweise
analog zu den Ausführungsbeispielen in den 3, 4 oder 8.
Auch mit anderen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
ist das Gießverfahren kombinierbar.
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Die
Folie der Gießform 136 kann nach der Entformung
an dem Anpasskörper 136 verbleiben und kann dann
als Schutzschicht dienen. Falls eine Folie verwendet wird, die eine
erheblich höhere Schallimpedanz als die Anpassschicht 120 aufweist, so
sollte die Folie nicht zu dick ausgeführt sein, um die
akustische Kopplung zwischen Piezo 118 und fluidem Medium
nicht zu stark zu behindern. Alternativ zur oben beschriebenen Polyimidfolie
können auch andere Materialien oder auch dünne
Formteile als „verlorene Form" verwendet werden, wie z.
B. (vorzugsweise dünne) Metallfolien und/oder (vorzugsweise
dünne) Kunststoffteile.
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Vorteile
dieser Technik gemäß den 10A und 10B liegen einerseits darin, dass die Entformung
des stark anhaftenden Materials des Anpasskörpers 128 erleichtert
wird, wodurch die Werkzeugstandzeiten der äußeren
Werkzeuge erheblich verlängert werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Abdichtungsfunktion der Folie
(bzw. des anderen Materials, siehe vorhergehender Absatz) gegenüber Medien
wie sie z. B. in der Ansaugatmosphäre eines Kraftfahrzeugmotors
enthalten sein können.
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Die
Gieß- oder Pressform 136 beziehungsweise die Folie
können so ausgeführt sein, dass der Piezo 118 beim
Vergießen beziehungsweise Verpressen des Anpassschicht-Materials
nicht separat fixiert werden muss, sondern auf Absätzen 138 oder Auflagepunkten
direkt auf der Folie beziehungsweise Gießform 136 ruht.
Diese Absätze können sich beispielsweise durch
entsprechende Absätze in einem die Folie umgebenden Werkzeug
ergeben, oder es können auch in die Folie selbst derartige
Absätze 138 eingeprägt sein oder im Rahmen
eines vorhergehenden Tiefziehprozesses eingebracht werden. Die Absätze 138 werden
nach der Entformung zu Aussparungen im Anpassschicht-Material beziehungsweise im
Anpasskörper 128 und können so ange ordnet werden,
dass sich noch eine günstige Ultraschallabstrahlung ergibt.
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In
den obigen Ausführungsbeispielen ist bevorzugt jeweils
der Piezo 118 auf oder in den Anpasskörper 128 auf-
beziehungsweise eingebracht. Bei diesem Aufbau war die spätere
Ultraschallabstrahlfläche während des Vergießens
(beziehungsweise Pressen, Spritzgießen etc.) stets nach
unten ausgerichtet. Diese Reihenfolge ist jedoch nicht zwingend erforderlich,
so dass die spätere Abstrahlfläche auch schräg
angeordnet sein kann (z. B. schräge Anordnung zu einem
Luftmassenstrom) und/oder nach oben weisen kann. Beispiele für
letzteren Aufbau sind in den Ausführungsbeispielen der 11A und 11B gezeigt.
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Bei
diesen Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Gehäusekörper 140 vorgesehen,
beispielsweise ein Abschnitt des Strömungsrohrs 114 oder
ein Einsatz für ein derartiges Strömungsrohr (beispielsweise ein
Gehäuse eines Steckfühlers). In diesen Gehäusekörper 140 sind
jeweils Vertiefungen 142 eingelassen, beispielsweise in
Form von zylindrischen Sacklochbohrungen (welche auch gestuft ausgeführt
sein können, siehe 11A).
In diese Vertiefungen können dann der Piezo 118 und
der Anpasskörper 128 eingebracht werden, so dass
anschließend wieder zwischen dem fluiden Medium (in diesem
Fall über den Ultraschallwandlern 112 in den 11A und 11B)
und dem Piezo 118 die Anpassschicht 120 liegt.
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Diese „inverse"
Aufbauart kann z. B. dazu genutzt werden, zwischen der Piezooberfläche
und der Ultraschallabstrahlfläche zur Luft (beziehungsweise
fluidem Medium) hin ein Mehrschichtsystem in der Anpassschicht 120 aufzubauen.
Hierzu können unterschiedliche Materialien eingegossen
oder -gepresst werden, die entweder Dämpfungs-, Abdichtungs-,
Schutz-, Kontaktierungs- oder Halterungs/Handlings-Funktionen haben
oder aber dazu dienen, eine verbesserte akustische Kopplung zwischen
Piezo 118 und Luft zu vermitteln.
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Letztere
Funktion wird insbesondere durch einen Dichte- oder Impedanz-Gradienten
zwischen Piezo 118 und Luft realisiert. Dazu können
entweder mehrere unterschiedliche Anpassschichtmaterialien eingesetzt
werden, deren Dichte oder Schallimpedanz in Richtung zur Abstrahlfläche
kontinuierlich oder in Stufen abnimmt. Alternativ kann auch ein
einziges Anpassschichtmaterial verwendet werden, in welchem sich
durch Sedimentation Füllstoffanteile mit höherer
Dichte, wie z. B. Glasbruch (z. B. aus Verarbeitungsverlusten) oder
Klarharzanteile (deren Schichtdicke beispielsweise durch Harzüberschuss einstellbar
ist) nahe am Piezo 118 ansammeln und leichtere Füllstoffe,
wie beispielsweise luftgefüllte Glashohlkugeln, tendenziell
eher aufschwimmen. Eine geschlossene Klarharzschicht kann generell auch
zur Abdichtung gegenüber Medien eingesetzt werden. Diese
Schichtenfolge beziehungsweise Sedimentation ist in den 11A und 11B symbolisch
mit der Bezugsziffer 144 dargestellt.
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In
den 12A bis 12D sind
schließlich verschiedene Teilschritte eines Herstellungsverfahrens
eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt, bei welchem
ein Halbzeug 146 verwendet wird. Dabei wird zunächst
(siehe 12A) ein Beutel 148 oder ein
anderer Folienkörper (beispielsweise ein Polyimid-Folienbeutel)
mit einer flüssigen oder formbaren Masse eines Anpassschichtmaterials
gefüllt (symbolisch dargestellt durch Bezugsziffer 150 in 12A). Beispielsweise lassen sich hierfür
wiederum BMC-Massen (BMC: bulk molding compound) oder Epoxidharzgemische
einsetzen.
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Anschließend
wird (vergleiche 12B) der Beutel 148 geschlossen
und zu einem formbaren Halbzeug 146 geformt (beispielsweise
durch Pressen). Das Halbzeug 146 wird häufig auch
als „Prepreg" bezeichnet. Dann wird vorzugsweise die Folie des
Beutels 148 zumindest partiell (dort, wo später der
Piezo 118 aufgesetzt wird) entfernt (vergleiche 12C, dort symbolisch durch Bezugsziffer 152 angedeutet),
und anschließend der Piezo 118 auf das noch formbare
und klebende Halbzeug aufgesetzt und anschließend (z. B.
chemisch, thermisch und/oder durch UV-Bestrahlung) ausgehärtet,
so dass der Piezo 118 an dem sich aus dem Halbzeug 146 bildenden
Anpasskörper 128 anhaftet und mit diesem einen
stabilen Ultraschallwandler 112 bildet (12D). Alternativ oder zusätzlich kann
auch ein Teil der Folie zur Strömung hin entfernt oder
weggelassen werden, beispielsweise ein Bereich aus der Mitte der
Anpassschicht 120. Dadurch kann die Schalleinkopplung verbessert
oder optimiert werden, da auf diese Weise der Impedanzübergang
angepasst werden kann.
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Die
Ultraschallwandler 112 und das Strömungsmesssystem 110 sowie
das Herstellungsverfahren gemäß den obigen Ausführungsbeispielen lassen
sich auf vielfältige Weise weiterbilden. So können
beispielsweise mehrere Piezos 118 eine gemeinsame, einteilige
Anpassschicht 120 teilen. Dabei können zwei oder
mehr Piezoelemente 118 in ein und denselben Anpasskörper 128 eingebettet
sein, der eine einteilige (d. h. jedoch gegebenenfalls auch mehrschichtige),
gemeinsame Anpassschicht 120 für die einzelnen
Piezoelemente 118 aufweist.
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Weiterhin
kann auch der Aufbau des oben beschriebenen piezoelektrischen Wandlerelements 118 variiert
werden. Als wesentlicher Bestandteil des Piezoelements 118 kann
ein beliebiges piezoaktives Material dienen, z. B. eine Piezokeramik
(z. B. PZT, BaT oder ähnliche Materialien und Komposite
...), ein Piezokristall, Piezokomposite, Piezostack oder ähnliches.
Als weiterer Bestandteil des Piezoelements 118 können
eine, zwei oder mehr elektrisch leitende Elektroden 124 vorgesehen
werden, die quer zur akustischen Abstrahlungsrichtung oder aber
auch mit einer Flächenkomponente parallel dazu angeordnet sein
können. Das Piezoelement 118 kann im Wesentlichen
eine zylindrische, ovale, stab- oder quaderförmige oder
weitere Geometrie haben. Die Oberfläche des Piezoelements 118 kann
zumindest teilweise mit einem Haftvermittler behandelt sein, der
den Aufbau der kraftschlüssigen Verbindung mit der vernetzenden
Anpassschicht 120 begünstigt. Alternativ kann die
Oberfläche des Piezoelements 118 auch beispielsweise
mit einer Anti-Haftschicht (z. B. mit einer Teflon-Schicht) versehen
sein, um eine Klebung zu vermeiden. Ein weiterer Bestandteil des
Piezoelements 118 kann ein Material (eine Beschichtung,
ein Überzug, eine Schicht, ein Teil des Wandlergehäuses)
sein, das einen Schutz vor dem Eindringen flüssiger oder
gasförmiger Medien darstellt oder elektrisch leitend oder
elektrisch isolierend wirkt.
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Weitere
Möglichkeiten der Variation betreffen Anpassschicht 120 beziehungsweise
den gesamten Anpasskörper 128. So können
diese insbesondere ganz oder teilweise aus einem syntaktischen Material,
einem Duroplast (z. B. Epoxy, Polyester, Phenolharz, Cyanatester),
einem Thermoplast oder einem Elastomer (z. B. Silikon) oder einem
Blend (z. B. Thermoplast-Duroplast-Mischung, insbesondere als BMC-Masse)
als Hauptbestandteil hergestellt sein. Dieser Hauptbestandteil kann
mit Füllstoffen, Hohlkörpern, Hohlräumen
oder Fasern gefüllt oder geschäumt sein. Als Füllstoff
kommen insbesondere Glashohlkugeln oder Kunststoffhohlkugeln in
Frage, sowie Stoffe, die während oder nach dem Vernetzen aus
dem Stoff entweichen können, herausgelöst werden
können oder anders entfernt werden können, so dass
Hohlräume oder Gaseinschlüsse im Material des
Anpasskörpers 128 beziehungsweise der Anpassschicht 120 verbleiben.
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Weitere
Ausführungsvarianten umfassen zusätzliche mögliche
Bestandteile des Ultraschallwandlers 112 oder des Strömungsmesssystems 110.
So kann beispielsweise der Ultraschallwandler 112 außer
dem Piezoelement 118 und der Anpassschicht 120 beziehungsweise
dem Anpasskörper 128 zusätzliche elektrische
Verbindungen 126 oder Elektroden 124 enthalten.
Diese können flächig, aber z. B. auch Draht- oder
Maschengitter-förmig oder als Federelement ausgelegt sein.
Der Kontakt zwischen den Elektroden 124 und dem Piezoelement 118 kann beispielsweise
einerseits durch mechanischen Andruck oder aber durch ein anderes übliches
Kon taktierungsverfahren hergestellt sein wie z. B. Löten, Thermokompressionsschweißen,
Bonden oder Leitkleben. Ein Teil des Piezoelements 118 kann
eine Elektrode 124 sein, die von einer Stirnfläche
des piezoaktiven Materials zumindest teilweise in Richtung der gegenüberliegenden
Seite um das Piezoelement 118 herumgezogen ist.
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Weitere
mögliche Varianten betreffen das Herstellungsverfahren.
Als mögliche Herstellprozesse der Ultraschallwandler 112 (insbesondere
zum Verbinden des Piezos 118 mit dem Anpasskörper 128)
bieten sich, wie oben bereits teilweise dargelegt, verschiedene
Verfahren an. Bevorzugte Verfahren umfassen beispielsweise, aber
nicht ausschließlich: Pressen, Spritzpressen, Spritzgießen,
Gießen (z. B. auch in verlorene Form), Transfermolding,
Prägeprozesse oder Kombinationen dieser Techniken. Während
oder nach dem Herstellprozess kann eine Schutzschicht mit der Anpassschicht 120 oder
dem Anpasskörper 128 verbunden oder auf diese
beziehungsweise diesen aufgetragen sein. Diese kann beispielsweise
aus einer Folie (z. B. Kapton beziehungsweise Polyimid) oder einem
Lack bestehen. Diese Schutzschicht kann gleichzeitig zur besseren Entformbarkeit
gegenüber dem formgebenden Herstellungswerkzeug dienen.
Die Schutzschicht kann auch im Wesentlichen aus dem Hauptbestandteil
der Anpassschicht bestehen (z. B. Klarharz oder anderer Kunststoff
mit im Wesentlichen durchgehender Oberfläche) und durch
einen thermischen, mechanischen oder chemischen Prozess oder aber
durch Sedimentation oder einen Kapillar/Fließ-Prozess erzeugt
werden und integraler Bestandteil der Anpassschicht 120 und/oder
des Anpasskörpers 128 sein.
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Weitere
mögliche Varianten der obigen Ausführungsbeispiele
betreffen insbesondere die Ausführungsbeispiele der Direkteinbettung
gemäß den 5A bis 7B und 8.
Hierbei kann insbesondere die Geometrie des Piezoelements 118 derart
gestaltet sein, dass sich unterschiedliche Schwingungsmoden ausbilden.
Von diesen Schwingungsmoden kann z. B. eine Dickenschwingung angeregt werden,
die einer Bewegung in der Achse der Hauptabstrahlung des Ultraschallwandlers 112 entspricht. Alternativ
kann quer zu dieser Achse eine planare Schwingung angeregt werden,
die einerseits direkt in die Anpassschicht 120 einkoppelt
und andererseits durch die Querkontraktion des Piezoelements 118 wiederum
als Dickenschwingung die Anpassschicht schwingen lässt.
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Weiterhin
kann die Piezogeometrie so gestaltet sein, dass sich Schwingungseigenschaften
ergeben, die bezüglich Schallfeldformung und Absorption
(Dispersion) im umgebenden fluiden Medium für eine Strömungsmessung
besonders günstig sind (z. B. hinsichtlich Apertur, Fase, Dicke
und damit Frequenzbereich).
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Die
Geometrie der Anpassschicht 120 kann so ausgelegt sein,
dass sich in Richtung der Hauptabstrahlung des Ultraschallwandlers 112 in
der Anpassschicht 120 eine Resonanz ergibt, die zu einer günstigen
akustischen Kopplung zwischen Piezoelement 118 und umgebendem
fluiden Medium führt. Dies kann insbesondere bei einem
gasförmigen zu messenden Fluid z. B. dann erzielt werden,
wenn die Dicke der Anpassschicht 120 zumindest näherungsweise
in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge
liegt, wie sie sich bei der genutzten Ultraschallfrequenz innerhalb
des Anpassschichtmaterials einstellt.
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Die
Geometrien und Materialeigenschaften von Piezoelement 118 und
Anpassschicht 120 beziehungsweise Anpasskörper 128 können
so gewählt sein, dass die Resonanzfrequenzen beider Komponenten
so aufeinander abgestimmt sind, dass sich (vorzugsweise über
den geamten Einsatztemperaturbereich) eine günstige akustische
Kopplung zwischen Piezoelement 118 und umgebenden fluiden Medium
ergibt.
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Außer
der direkt mit dem Piezoelement 118 verbundenen Anpassschicht 120 können
eine oder mehrere weitere Anpassschichten 120 verwendet werden,
so dass die akustische Kopplung zwischen Piezoelement 118 und
umgebendem fluiden Medium weiter begünstigt wird. Die Außenkontur
des Ultraschallwandlers 112 kann eine strömungsoptimierte Formgebung
aufweisen oder in einer strömungsoptimierten Lage innerhalb
des Strömungsrohr 114 angeordnet sein. Die Außenkontur
des Ultraschallwandlers 112 kann weiterhin derart gestaltet
sein, dass sich eine für die Anwendung günstige
Abstrahlcharakteristik des Ultraschallwandlers 112 ergibt.
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Weiterhin
können durch Wahl geeigneter Einzelkomponenten innerhalb
der Anpassschicht 120 und durch Optimierung des Herstellprozesses die
Materialeigenschaften der Anpassschicht 120 beziehungsweise
des Anpasskörpers 128 günstig gewählt
werden. So lassen sich insbesondere deren akustische Impedanz, der
thermische Ausdehnungskoeffizient (welcher möglichst angepasst
sein sollte an denjenigen des Piezoelements 118, so dass
thermische Verspannungen minimiert werden), die Querkontraktionszahl
(welche eine Rolle spielt bei der Umwandlung von radialen Schwingungen
in Dickenschwingungen und bei der Ausbildung von Transversalwellen)
und die Glasübergangstemperatur (welche möglichst
hoch gewählt werden sollte) anpassen beziehungsweise optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004060064
A1 [0001]
