DE102007037088A1 - Ultrasound transducer for use in intake and exhaust system of automobile internal combustion engine, has intermediate layer between piezoelectric transducer unit and adjustment layer for reducing thermal stresses between layer and unit - Google Patents

Ultrasound transducer for use in intake and exhaust system of automobile internal combustion engine, has intermediate layer between piezoelectric transducer unit and adjustment layer for reducing thermal stresses between layer and unit Download PDF

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Sami Radwan
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Abstract

The transducer (112) has a piezoelectric transducer unit (216), and an adapter (218) with an adjustment layer (220) for facilitating a vibration coupling between the unit (216) and an ambient fluid medium, where the layer is made up of epoxy resin, polyester, phenolic resin, thermoplastic resin, elastomer e.g. silicon, polymer blend, or polyamide e.g. kapton(RTM: Polyimide film). An intermediate layer (310) is provided between the unit (216) and the layer (220) for reducing thermal stresses between the layer (220) and the unit (216), where the layer (310) includes a fiber material (312). Independent claims are also included for the following: (1) a flow measurement system including ultrasound transducer (2) a method for manufacturing an ultrasound transducer.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise in Ultraschall-Durchflussmessern 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. Es 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.The invention is based on known ultrasonic transducers which are used, for example, in ultrasonic flowmeters in process technology or in the automotive sector, in particular in the intake and / or exhaust tract of internal combustion engines, for volume flow or mass flow measurement. In this case, ultrasound transducers are typically used which can both emit ultrasonic waves into a fluid medium (a gas and / or a liquid) and can receive ultrasonic waves. Usually, ultrasonic signals are transmitted by the flowing fluid medium from an emitter to a receiver, and the transit time, transit time differences or phases of the ultrasonic signals or combinations of these measured variables are measured. These signals are influenced by the flow of the fluid. From the degree of influence of the running time can be concluded on the flow velocity of the fluid. An example of such ultrasonic flowmeters that can be used in various measuring arrangements is in DE 10 2004 060 064 A1 described.

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.at the ultrasonic flow measurement is one non-contact, fast and at least partially over the flow cross-section integrating measuring method. About that In addition, in contrast to the thermal measuring method no filigree and sensitive heating structures within the flow needed. These basic benefits can Depending on the conditions of use, this results in improved measuring accuracy.

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.One Disadvantage of many known ultrasonic flowmeter is however at least for gaseous media in the small signal swing, d. H. z. B. the low runtime changes that the Process at low flow rates often very Drift-prone - a mistake that often happens is called "zero flow error".

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).To make matters worse, the vibration energy generated by a conventional ultrasound generator (eg a piezoceramic) has to overcome a high acoustic impedance difference (approximately a factor of 6 × 10 5 ) when coupled into the medium to be measured. As a result, about 99.9995% of the sound energy is usually reflected back on the way from a piezoceramic in air at the corresponding interface and can not be used for the measurement. The same reflection loss occurs again at the second receiving transducer (which may also be identical to the first transducer).

Um die akustische Kopplung zwischen Piezoelement und dem zu messenden Fluid zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen zur Impedanzanpassung eingesetzt. Beispielsweise lassen sich zwischen das Piezoelement und das Fluid ein oder mehrere Anpassschichten zur Impedanzanpassung einbringen, welche akustische Impedanzen aufweisen die zwischen denjenigen des Piezomaterials und des Fluids liegen. Dies schränkt jedoch die möglichen Ansätze für die Konstruktion der Ultraschallwandler stark ein. So lassen sich zur Impedanzanpassung beispielsweise Membranen oder λ/4-Schichten einsetzen, auf die das meist dünne Piezoelement aufgeklebt ist. Zumindest im Fall einer Membran wird jedoch die Resonanzfrequenz des Wandlers eher durch die Membrangeometrie bestimmt als durch das Piezoelement allein.Around the acoustic coupling between the piezo element and the to be measured To improve fluid, are usually measures used for impedance matching. For example, can be between the piezoelectric element and the fluid one or more matching layers to introduce impedance matching, which have acoustic impedances which are between those of the piezoelectric material and the fluid. However, this limits the possible approaches strong for the construction of the ultrasonic transducer. For example, membranes or λ / 4 layers can be used for impedance matching insert, glued to the usually thin piezoelectric element is. At least in the case of a membrane, however, the resonance frequency of the transducer rather determined by the membrane geometry than by the piezo element alone.

Auch andere Arten von Anpassschichten sind bekannt, welche auf das Piezoelement aufgebracht werden. Eine Großserien-Fertigung von Luftultraschallwandlern nach den be kannten 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.Also other types of matching layers are known which affect the piezoelectric element be applied. A large-scale production of air ultrasonic transducers according to the well-known principles, however, involves elaborate and expensive process steps. In particular, in many cases a machining of the matching layer required what ever according to material type leads to rough surfaces, the an acoustically advantageous thin and reproducible bond difficult. Even with a production of the matching layer without cutting Processing (eg in a casting / injection process) remains the need for a separate bonding process.

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.Further Restrictions on the ultrasonic frequency to be used and the transducer design arise for known ultrasonic transducers physical effects such as sound field formation in the fluid, absorption and dispersion.

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.additionally These design restrictions may be out of the ordinary Target tolerances for a flow measurement in the intake area to be derived from car engines the requirement that the oscillating Transient response of the ultrasonic transducer, at least in the sense of Differential transit time measurement purely mechanically always approximately exactly remains the same, with an accuracy of for example about 1/1000 of a single mechanical vibration. Go in this mechanical transient course in addition to transducer basic design and transducer geometry also critical the internal material properties and compounds of the materials with each other. This makes it difficult the usual in a thermal flow measurement To achieve or even improve tolerances.

Die Anpassschicht wird üblicherweise als vorgefertigtes Teil mit einem Klebstoff auf den piezoelektrischen Wandler bzw. auf dessen Elektrode aufgeklebt oder ein Anpassschichtwerkstoff wird im unvernetzten Zustand mit dem piezoelektrischen Wandler in Kontakt gebracht, so dass sich eine Haftung zwischen Piezoelement und Anpassschicht nicht durch einen separaten Klebstoff, sondern nach Aushärtung durch die Moleküle der Anpassschicht selbst einstellt.The matching layer is usually glued as a prefabricated part with an adhesive on the piezoelectric transducer or on the electrode or a matching layer material is in un crosslinked state brought into contact with the piezoelectric transducer, so that a liability between the piezoelectric element and matching layer is not adjusted by a separate adhesive, but after curing by the molecules of the matching layer itself.

Um eine günstige akustische Kopplung zwischen dem Piezoelement und dem fluiden Medium, insbesondere Luft, herzustellen, muss die akustische Impedanz der Anpassschicht (bzw. die akustischen Impedanzen der Anpassschichten) in einem Bereich liegen, der bei vielen Stoffen nur durch eine Dichtereduktion zu erzielen ist. Als Werkstoff für die Anpassschicht kommen beispielsweise Epoxydharze, ungesättigte Polyester oder BMC-Massen (BMC: bulk molding compound, ein Faser-Matrix-Halbzeug, welches zumeist Kurz-Glasfasern und ein Polyester- oder Vinylesterharz oder andere Faser/Harzsysteme aufweist) mit Glashohlkugel-Beimischungen oder geschäumte, gesinterte oder anders mit Hohlräumen versehene Kunststoffe in Frage. Hierbei sollten thermische Spannungen am Übergang zwischen Piezomaterial und Anpassschicht vermieden werden. Insbesondere bei den hohen thermischen Belastungen und Temperaturschockwechseln, welche in der Auto mobilindustrie auftreten, können in diesem Übergangsbereich hohe mechanische Spannungen auftreten, was zu Alterungseffekten oder sogar ausfällen der Ultraschallwandler führen könnte.Around a favorable acoustic coupling between the piezoelectric element and the fluid medium, in particular air, the acoustic impedance of the matching layer (or the acoustic impedances the matching layers) are in a range that is common to many fabrics can only be achieved by a density reduction. As a material for the matching layer is, for example, epoxy resins, unsaturated Polyester or BMC compounds (BMC: bulk molding compound, a fiber-matrix semifinished product, which mostly short glass fibers and a polyester or vinyl ester resin or other fiber / resin systems) with glass hollow sphere admixtures or foamed, sintered or otherwise voided Plastics in question. Here, thermal stresses should be at the transition between piezo material and matching layer can be avoided. Especially at high thermal loads and temperature shock changes, which occur in the automotive industry, can in this transition area high mechanical stresses occur, causing aging effects or even failure of the ultrasonic transducer could.

Nachteilig an bekannten Systemen ist also, dass diese nicht nur starken Designeinschränkungen unterworfen sind, sondern dass auch die Signalqualität und die Funktionstoleranzen in vielen Fällen Potential für weitere Verbesserungen aufweisen. Auch die Herstellung derartiger Elemente ist meist aufwändig und teuer. Zudem lässt insbesondere die thermische Belastbarkeit und das Alterungsverhalten Raum für weitere Verbesserungen.adversely in known systems, therefore, it is not only subject to severe design restrictions but that too the signal quality and the function tolerances in many cases potential for further improvements exhibit. The production of such elements is usually expensive and expensive. In addition, in particular, the thermal load capacity and the aging behavior room for further improvement.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird daher ein Ultraschallwandler, ein Strömungsmesssystem, welches diesen Ultraschallwandler umfasst sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Systeme und Verfahren zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere ist der Ultraschallwandler stabiler gegenüber thermischen Belastungen, wodurch dieser für Automotive-Anwendungen, insbesondere unter Motoranbaubedingungen, besonders geeignet ist. Zudem weist der vorgeschlagene Ultraschallwandler geringe Funktionstoleranzen bezüglich Ultraschall-Strömungsmessungen auf. Ein derartiger Ultraschallwandler und ein derartiges Strömungsmesssystem kann somit insbesondere auch als robusterer Ersatz des heute üblichen thermischen Luftmassenmessersystems eingesetzt werden, oder sogar an motorregelungstechnisch günstigeren Orten zum Einsatz kommen, an welchen das übliche thermische Messprinzip an seine Grenzen stößt (zum Beispiel nach einem Ladeluftkühler oder in einer gekühlten Abgasrückführleitung).It Therefore, an ultrasonic transducer, a flow measuring system, which comprises this ultrasonic transducer and a method for Production of an ultrasonic transducer proposed which the Disadvantages of known systems and methods at least largely avoids. In particular, the ultrasonic transducer is more stable thermal loads, which makes it suitable for automotive applications, especially under engine mounting conditions, is particularly suitable. In addition, the proposed ultrasonic transducer has low functional tolerances regarding ultrasonic flow measurements. Such an ultrasonic transducer and such a flow measuring system Thus, in particular, as a more robust replacement of today's usual thermal Be used air mass meter system, or even at engine control technically more favorable Locations are used, to which the usual thermal Measuring principle reaches its limits (for example after a charge air cooler or in a cooled Exhaust gas recirculation line).

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper mit einer Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenden fluiden Medium. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler, welche nach ferroelektrischen, elektrostatischen, magnetostriktiven, magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten können.Of the proposed ultrasonic transducer comprises a piezoelectric Transducer element and at least one matching body with a Adaptation layer to favor a vibration coupling between the piezoelectric transducer element and a surrounding one fluid medium. The term of the piezoelectric transducer element is to be understood and includes, for example, electric-acoustic Transducers, which after ferroelectric, electrostatic, magnetostrictive, magnetoelectric effects or combinations of these effects work can.

Zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und der Anpassschicht ist mindestens eine Zwischenschicht zur Reduktion thermischer Spannungen zwischen der Anpassschicht und dem piezoelektrischen Wandlerelement vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst diese Zwischenschicht mindestens ein Fasermaterial. Unter einer Zwischenschicht ist dabei eine Schicht zu verstehen, welche zumindest teilweise nicht identisch ist mit der mit der Anpassschicht oder Schichten des piezoelektrischen Wandlerelements, also eine unterscheidbare Schicht.Between the piezoelectric transducer element and the matching layer is at least an intermediate layer for reducing thermal stresses between the matching layer and the piezoelectric transducer element. According to the invention, this intermediate layer comprises at least one fiber material. Under an intermediate layer is here to understand a layer which is at least partially not identical is identical to that with the matching layer or layers of the piezoelectric transducer element, so a distinguishable layer.

Dabei kann die Zwischenschicht insbesondere ein Elastizitätsmodul (E-Modul) aufweisen, welches grundsätzlich im gesamten Bereich zwischen dem E-Modul des piezoelektrischen Wandlerelements und dem E-Modul der Anpassschicht angesiedelt sein kann. Auch darüber hinausgehende E-Module sind möglich. Dies ist dadurch bedingt, dass die Zwischenschicht in der Regel wesentlich dünner ist als die akustische Wellenlänge, so dass die Akustik durch die Wahl des Elastizitätsmoduls nicht negativ beeinflusst wird. Lediglich eine höhere Flexibilität der Zwischenschicht im Vergleich zur Anpassschicht kann sich negativ bemerkbar machen, da in diesem Fall die akustische Kopplung ungünstig wäre.there the intermediate layer may in particular have a modulus of elasticity (E-modulus), which basically in the entire Area between the modulus of elasticity of the piezoelectric transducer element and the modulus of elasticity of the matching layer can be settled. Also about it Exceeding E-modules are possible. This is due to that the intermediate layer usually much thinner is considered the acoustic wavelength, so the acoustics through the choice of modulus of elasticity is not adversely affected becomes. Only a higher flexibility of the intermediate layer compared to the matching layer can have a negative impact, because in this case the acoustic coupling would be unfavorable.

Wichtiger als eine geeignete Wahl des E-Moduls der Zwischenschicht kann die Auswahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (häufig mit α bezeichnet) des Zwischenschichtmaterials sein. Der thermische Ausdehnungskoeffizient, welcher häufig in ppm/°K angegeben wird, sollte vorzugsweise näher an dem entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlermaterials liegen (welcher typischerweise bei ca. 7 ppm/°K liegt) als an demjenigen der Anpassschicht (welcher typischerweise im Bereich > 30 ppm/°K liegt). So können beispielsweise für die Zwischenschicht Materialien verwendet werden, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 20 ppm/°K und besonders bevorzugt von weniger als 15 ppm/°K aufweisen.More important than a suitable choice of the modulus of elasticity of the intermediate layer may be the selection of the thermal expansion coefficient (often referred to as α) of the interlayer material. The thermal expansion coefficient, which is often reported in ppm / ° K, should preferably be closer to the corresponding coefficient of thermal expansion of the piezoelectric transducer material (which is typically about 7 ppm / ° K) than that of the matching layer (which typically is in the range of> 30 ppm / ° K). For example, materials which have a coefficient of thermal expansion of less can be used for the intermediate layer than 20 ppm / ° K, and more preferably less than 15 ppm / ° K.

Das Fasermaterial kann lose Fasern, ein Fasergeflecht, ein Faserverbundmaterial oder ähnliche Fasermaterialien oder Fasermaterialkombinationen umfassen. Das Fasermaterial kann ein organisches Fasermaterial, ein Kohlefasermaterial, ein Bor-haltiges Fasermaterial, insbesondere Borfasern, ein metallhaltiges Fasermaterial, insbesondere Metallfasern, ein anorganisches Fasermaterial, insbesondere in polkristalliner oder amorpher Form, insbesondere ein Glasfasermaterial oder ein Keramikfasermaterial, oder Kombinationen dieser oder anderer Materialien umfassen. Weitere Materialien oder Materialkombinationen sind denkbar.The Fiber material may be loose fibers, a fiber braid, a fiber composite material or similar fiber materials or fiber material combinations. The fiber material may be an organic fiber material, a carbon fiber material, a boron-containing fiber material, in particular boron fibers, a metal-containing Fiber material, in particular metal fibers, an inorganic fiber material, in particular in Polkristalliner or amorphous form, in particular a glass fiber material or a ceramic fiber material, or combinations this or other materials. Other materials or Material combinations are conceivable.

Neben dem Fasermaterial kann die Zwischenschicht weiterhin mindestens ein Matrixmaterial aufweisen. Das Matrixmaterial kann dabei insbesondere einen oder mehrere der folgenden Werkstoffe umfassen: ein Harz, insbesondere ein Epoxydharz; einen Polyester; ein BMC-Material (BMC: bulk molding compound); einen Klebstoff; ein thermoplastisches Polymer; ein duroplastisches Polymer. Dabei kann dieses Matrixmaterial vorzugsweise auch zumindest teilidentisch sein mit mindestens einem Material des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht. So kann das Matrixmaterial selbst beispielsweise auch eine Grenzschicht des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht umfassen, welche dem piezoelektrischen Wandlerelement benachbart liegt. In diese Grenzschicht kann das oben beschriebene Fasermaterial eingebettet werden.Next the fiber material, the intermediate layer may continue at least have a matrix material. The matrix material can in particular one or more of the following materials: a resin, in particular an epoxy resin; a polyester; a BMC material (BMC: bulk molding compound); an adhesive; a thermoplastic polymer; a thermosetting polymer. In this case, this matrix material preferably also be at least partially identical with at least one material of the matching body, in particular the matching layer. So can The matrix material itself, for example, also a boundary layer of the matching body, in particular the matching layer, which is adjacent to the piezoelectric transducer element. In This boundary layer can embed the fiber material described above become.

Die Anpassschicht kann grundsätzlich ebenfalls die oben beschriebenen Materialien des Matrixmaterials umfassen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Anpassschicht ein thermisch, chemisch oder photochemisch aushärtbares oder vernetzbares Polymermaterial umfasst. Dieses Polymermaterial kann beispielsweise ein syntaktisches Material, ein duroplastisches Material (insbesondere ein Epoxydharz, ein Polyester, ein Phenolharz oder einen Cyanatester), einen Thermoplasten, ein Elastomer (insbesondere Silikon), einen Polymerblend, ein Polyimid (insbesondere Kapton), oder eine Mischung der genannten und/oder anderer Materialien umfassen. Daneben kann, wie eingangs beschrieben, dieses Polymermaterial weiterhin mindestens einen Füllstoff aufweisen, insbesondere mindestens einen der folgenden Füllstoffe: Hohlräume (zum Beispiel durch Schäumen erzeugte Hohlräume), Fasern, Glashohlkugeln, Kunststoffhohlkugeln, einen flüchtigen Füllstoff (insbesondere einen während oder nach einem Vernetzen des Polymers entweichenden oder entfernbaren Füllstoff) oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Füllstoffmaterialien umfassen.The Matching layer can basically also those described above Materials of the matrix material include. In particular, it is preferred if the matching layer is a thermally, chemically or photochemically curable or crosslinkable polymeric material. This polymer material can for example, a syntactic material, a thermoset material (In particular, an epoxy resin, a polyester, a phenolic resin or a cyanate ester), a thermoplastic, an elastomer (especially Silicone), a polymer blend, a polyimide (especially Kapton), or a mixture of said and / or other materials. Besides can, as described above, this polymer material continue have at least one filler, in particular at least one of the following fillers: cavities (for Example, cavities created by foaming), fibers, Hollow glass balls, hollow plastic balls, a volatile Filler (especially one during or after crosslinking of the polymer escaping or removable filler) or combinations of said and / or other filler materials include.

Bezüglich der geometrischen Ausgestaltung der Zwischenschicht bestehen zahlreiche vorteilhaft einsetzbare Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zwischenschicht das piezoelektrische Wandlerelement zumindest teilweise umschließt. Beispielsweise kann die Zwischenschicht neben einer Stirnfläche des piezoelektrischen Wandlerelements auch Seitenflächen desselben ganz oder teilweise kontaktieren bzw. umschließen.In terms of The geometric design of the intermediate layer are numerous advantageous options. Especially preferred it is when the intermediate layer is the piezoelectric transducer element at least partially encloses. For example, the Intermediate layer next to an end face of the piezoelectric Transducer element also side surfaces of the same or partially contact or enclose.

Weiterhin kann die Zwischenschicht auch, neben den Eigenschaften der Reduktion thermischer Spannungen durch Verwendung des Fasermaterials, weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. So ist es besonders bevorzugt, wenn die Zwischenschicht zumindest teilweise elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist. In diesem Fall kann insbesondere die Zwischenschicht, welche zur Erzeugung der Leitfähigkeit beispielsweise einen Leitkleber, Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, einen leitfähigen Kunststoff und/oder andere Materialien oder Kombinationen der genannten Materialien umfassen kann, insbesondere zur Kontaktierung einer oder mehrerer Elektroden des Piezoelektrischen Wandlerelements genutzt werden.Farther The intermediate layer may also, in addition to the properties of reduction thermal stresses by using the fiber material, others have advantageous properties. So it is especially preferable when the intermediate layer is at least partially electrically conductive Features. In this case, in particular the intermediate layer, which for generating the conductivity, for example, a Conductive adhesive, metal particles, carbon particles, a conductive Plastic and / or other materials or combinations of said May include materials, in particular for contacting a or multiple electrodes of the piezoelectric transducer element used become.

Zur Verbindung der Zwischenschicht mit dem piezoelektrischen Wandlerelement lassen sich, neben stoffschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel durch Kleben) und/oder formschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel durch das oben beschriebene Umschließen des piezoelektrischen Wanderelements durch die Zwischenschicht) vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich auch formschlüssige Klammerverbindungen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement einsetzen. Diese Weiterbildung der Erfindung ist besonders bevorzugt in Zusammenhang mit einer leitfähigen Zwischenschicht und der oben beschriebenen Möglichkeit der Kontaktierung mindestens einer Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelements durch die Zwischenschicht. Zusätzlich zu einer Klammerverbindung kann auch eine Klebeverbindung eingesetzt werden.to Connection of the intermediate layer with the piezoelectric transducer element can be, in addition to cohesive compounds (for example, by Gluing) and / or positive connections (for example by the enclosing of the piezoelectric described above Wanderelements through the intermediate layer) advantageous, alternatively or additionally also positive-locking clamp connections Insert with the piezoelectric transducer element. This training The invention is particularly preferred in connection with a conductive intermediate layer and the possibility described above the contacting of at least one electrode of the piezoelectric Transducer element through the intermediate layer. In addition to a clip connection can also be an adhesive bond used become.

Neben dem beschriebenen Ultraschallwandler wird weiterhin ein Strömungsmesssystem vorgeschlagen, welches mindestens einen Ultraschallwandler nach einer der oben beschriebenen Ausführungen umfasst. Weiterhin weist das Strömungsmesssystem eine mit dem Ultraschallwandler verbundene Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung mindestens einer Strömungsgröße eines strömenden fluiden Mediums auf.Next the described ultrasonic transducer is still a flow measuring system proposed, which at least one ultrasonic transducer after includes one of the embodiments described above. Farther the flow measuring system has one with the ultrasonic transducer Connected control and evaluation to determine at least a flow variable of a flowing fluid medium.

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Strömungsmesssystem weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten Strömungsmesssystemen zahlreiche erhebliche Vorteile auf. So sorgt der Anpasskörper auf effiziente Weise dafür, dass die akustische Impedanz und/oder die Resonanzeigenschaften eine Schwingungskopplung zwischen dem Wandlerelement und dem umgebenden Fluid begünstigen.The proposed ultrasonic transducer and the proposed flow measuring system have numerous significant advantages over known ultrasonic transducers and known flow measuring systems. Thus, the matching body efficiently ensures that the acoustic impedance and / or the resonant properties are fused favor coupling between the transducer element and the surrounding fluid.

Theoretisch sollte für eine gute Ultraschallankopplung die Impedanz der Anpassschicht zumindest näherungsweise das geometrische Mittel zwischen den Impedanzen der Luft (bzw. dem Fluid) und des piezoelektrischen Materials betragen. Dies ist jedoch in den meisten Fällen praktisch kaum realisierbar. Als besonders bevorzugter Bereich für die Impedanz der Anpassschicht wurde daher ein Bereich zwischen 0,1·106 kg/(m2s) und 2,5·106 kg/(m2s) ermittelt, besonders bevorzugt ein Bereich zwischen 0,5·106 kg/(m2s) und 1,6·106 kg/(m2s) oder sogar 1,5·106 kg/(m2s). Beispielsweise kann bevorzugt ein Wert von 0,8·106 kg/(m2s) verwendet werden. Diese bevorzugten Werte gelten für eine einschichtige Anpassschicht und Luft oder andere Gase bei Normaldruck als fluides Medium. Bei Flüssigkeiten können höhere Impedanzen verwendet werden, wobei auf Dichtereduktionen (z. B. durch Füllungen mit Glashohlkugeln) verzichtet werden kann. Wiederum andere Impedanzen können bei mehrschichtigen Anpassschicht-Aufbauten verwendet werden. Hierbei kann insbesondere versucht werden, die Impedanzen schrittweise von der Impedanz des piezoelektrischen Materials auf die Impedanz des fluiden Mediums anzupassen.Theoretically, for good ultrasonic coupling, the impedance of the matching layer should at least approximately be the geometric mean between the impedances of the air (or fluid) and the piezoelectric material. However, in most cases this is virtually impossible to achieve. As a particularly preferred range for the impedance of the matching layer, therefore, a range between 0.1 × 10 6 kg / (m 2 s) and 2.5 × 10 6 kg / (m 2 s) was determined, particularly preferably a range between 0, 5 x 10 6 kg / (m 2 s) and 1.6 x 10 6 kg / (m 2 s) or even 1.5 x 10 6 kg / (m 2 s). For example, a value of 0.8 × 10 6 kg / (m 2 s) may be preferably used. These preferred values apply to a single layer matching layer and air or other gases at normal pressure as the fluid medium. With liquids higher impedances can be used, whereby density reductions (eg by fillings with glass hollow spheres) can be dispensed with. Still other impedances can be used with multilayer matching layer constructions. In particular, it may be attempted to adjust the impedances stepwise from the impedance of the piezoelectric material to the impedance of the fluid medium.

Im Grenzbereich des Anpasskörpers zum piezoelektrischen Wandlerelement hin sorgen hingegen die Fasern in der Zwischenschicht (welche, wie oben beschrieben, auch Teil des Anpasskörpers sein kann) für einen günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und sorgen hierdurch dafür, dass mechanische und/oder thermomechanische Verspannungen in diesem Übergangsbereich erheblich reduziert werden können. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Piezokeramiken eingesetzt werden, welche im Vergleich zu üblichen Kunststoffen der Anpasskörper erheblich geringere Wärmeausdehnungen aufweisen. Hier sind insbesondere Materialien mit den oben angegebenen bevorzugten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vorteil. So lassen sich insbesondere bei Temperaturschockwechseln Alterungseffekte der inneren Keramikeigenschaften (zum Beispiel der Polarisation) vermeiden. Auch Alterungseffekte der Elektroden der piezoelektrischen Wandlerelemente und/oder der Haftung der piezoelektrischen Wandlerelemente selbst oder deren Elektroden auf der Anpassschicht (bzw. einem zwischengelagerten Klebstoff) lassen sich auf diese Weise erheblich reduzieren.in the Boundary region of the matching body to the piezoelectric transducer element in contrast, the fibers in the intermediate layer (which, as above described, can also be part of the matching body) for a favorable coefficient of thermal expansion and thereby ensure that mechanical and / or thermomechanical Significantly reduced tension in this transition area can be. This is particularly advantageous when piezoceramics can be used, which compared to conventional plastics the matching body significantly lower thermal expansion exhibit. Here are in particular materials with the above preferred thermal expansion coefficient of advantage. So can be especially at temperature shock changes aging effects of Avoid internal ceramic properties (for example polarization). Also, aging effects of the electrodes of the piezoelectric transducer elements and / or the adhesion of the piezoelectric transducer elements themselves or their Electrodes on the matching layer (or an intermediate layer Adhesive) can be significantly reduced in this way.

Weiterhin wird die Flexibilität hinsichtlich des Designs und/oder der Auswahl der Materialien für den Anpasskörper bzw. die Anpassschicht erheblich erhöht. Würde beispielsweise zur Verminderung thermomechanischer Spannungen am Übergang zwischen piezoelektrischem Wandlerelement und Anpassschicht ein flexibler Klebstoff verwendet, so bestünde in der Regel der Nachteil, dass derartige flexible Klebstoffe meist eine niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Überschreitet die Umgebungstemperatur bzw. Betriebstemperatur diese Glasübergangstemperatur, so nimmt die Flexibilität der Klebstoffe stark zu, und das E-Modul nimmt ab. In diesem Fall kann die Klebeschicht den Ultraschall nicht mehr effektiv in die Anpassschicht einkoppeln. Dadurch sinkt die obere Grenztemperatur des maximal nutzbaren Temperatureinsatzbereiches des Ultraschallwandlers und/oder des Strömungsmesssystems. Zudem nimmt mit der Flexibilität des Kunststoffs zumeist auch der Wärmeausdehnungskoeffizient zu, so dass der Klebstoff selbst die Verspannung zum Teil trotz der höheren Flexibilität unter Umständen sogar erhöhen kann.Farther The flexibility in terms of design and / or the choice of materials for the fitting body or the matching layer significantly increased. Would for example, to reduce thermo-mechanical stresses at the transition between piezoelectric transducer element and matching layer flexible adhesive used, it would usually be the disadvantage that such flexible adhesives usually a low Glass transition temperature (Tg) have. exceeds the ambient temperature or operating temperature this glass transition temperature, so the flexibility of the adhesives increases strongly, and the modulus decreases. In this case, the adhesive layer can not do the ultrasound more effectively couple into the matching layer. This reduces the upper limit temperature of the maximum usable temperature range the ultrasonic transducer and / or the flow measuring system. In addition, with the flexibility of the plastic mostly increases also the coefficient of thermal expansion too, so the glue even the tension partly despite the higher flexibility may even increase.

Ein Ziel besteht in der Regel darin, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs, welcher an das piezoelektrische Wandlerelement angrenzt (zum Beispiel einen Klebstoff bzw. die Anpassschicht) möglichst so klein zu halten wie denjenigen der Piezokeramik selbst. Dies kann generell nur mit härteren oder gefüllten Kunststoffen realisiert werden, wobei als Füllung beispielsweise Keramikpartikel oder Glas- bzw. Mineralfasern in Frage kommen. Derartige härtere oder gefüllte Kunststoffe eignen sich noch relativ gut zur Weiterleitung des Ultraschalls aus dem Piezo, sind aber wegen ihrer hohen akustischen Impedanz für die Einleitung in das fluide Medium, insbesondere in Luft, schlecht geeignet. Die technische Möglichkeit, die Anpassschicht aus einem entsprechend gefüllten Kunststoff mit der üblichen Durchmischung von Füllstoff und Matrixmolekülen zu realisieren, führt also insbesondere bei einem Luft-Ultraschallwandler nicht zu dem gewünschten Ergebnis.One The goal is usually the coefficient of thermal expansion of the plastic, which is connected to the piezoelectric transducer element adjacent (for example, an adhesive or the matching layer) as possible to be as small as those of the piezoceramic itself. This can generally only be harder or filled Plastics are realized, as filling example Ceramic particles or glass or mineral fibers come into question. such harder or filled plastics are suitable still relatively good for transmitting the ultrasound from the piezo, but because of their high acoustic impedance for the Introduction into the fluid medium, especially in air, bad suitable. The technical possibility, the adaptation layer from a suitably filled plastic with the usual mixing of filler and matrix molecules to realize So leads in particular in an air-ultrasonic transducer not to the desired result.

Verwendet man dagegen alleine einen Klebstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient an das piezoelektrische Wandlerelement angepasst ist, dann müsste die Klebstoffdicke so gewählt werden, dass sich darin Verspannungen abbauen können bzw. vom Piezoelement in die Klebung verlagert werden. Die Verspannung zwischen Klebstoff und der sich stärker ausdehnenden Anpassschicht bleibt dann jedoch immer noch bestehen, so dass die Haftung des Klebstoffs auf der Anpassschicht problematisch wird.used on the other hand, an adhesive alone, whose thermal expansion coefficient would be adapted to the piezoelectric transducer element, then would have the adhesive thickness can be chosen so that it tensions can break down or shifted from the piezoelectric element in the bond become. The tension between the glue and the stronger but then there will still be an expanding adaptive layer so that the adhesion of the adhesive to the matching layer is problematic becomes.

Erfindungsgemäß beruht hingegen die Haftung der Anpassschicht bzw. des Anpasskörpers auf der Zwischenschicht bzw. dem piezoelektrischen Wandlerelement bei erfindungsgemäßer Einbettung des Fasermaterials (zum Beispiel dem Fasergeflecht) nicht mehr nur auf einer Adhäsion, sondern auch auf einem Formschluss innerhalb der Zwischenräume zwischen den Fasern. Die Verspannung geht somit nicht mehr primär zu Lasten des piezoelektrischen Wandlerelement und der Adhäsion, sondern wird hauptsächlich von den Fasern selbst abgefangen. Die dabei entstehende Zunahme der akustischen Impedanz erfolgt dort, wo sie am wenigsten stört, nämlich nahe am piezoelektrischen Wandlerelement. Je nach Faserart und dem Volumenanteil innerhalb eines Matrixmaterials, insbesondere innerhalb einer Kunststoffmatrix, der Zwischenschicht, kann ein geeigneter Gradient sowohl bezüglich der akustischen Impedanz als auch bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden.According to the invention, however, the adhesion of the matching layer or the matching body on the intermediate layer or the piezoelectric transducer element according to the invention embedding of the fiber material (for example, the fiber braid) based not only on an adhesion, but also on a positive connection within the spaces between the fibers. The tension is thus no longer primarily at the expense of piezoe lektrischen transducer element and the adhesion, but is mainly intercepted by the fibers themselves. The resulting increase in the acoustic impedance occurs where it least disturbs, namely close to the piezoelectric transducer element. Depending on the type of fiber and the volume fraction within a matrix material, in particular within a plastic matrix, the intermediate layer, a suitable gradient can be achieved both with regard to the acoustic impedance and with respect to the coefficient of thermal expansion.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Strömungsmesssystems, in welchem der erfindungsgemäße Ultraschallwandler einsetzbar ist; 1 an embodiment of a known flow measuring system in which the ultrasonic transducer according to the invention can be used;

2 ein aus dem Stand der Technik bekannter Ultraschallwandler; 2 an ultrasonic transducer known in the art;

3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit einer separaten Zwischenschicht; 3 a first embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with a separate intermediate layer;

4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit in einer Anpassschicht integrierter Zwischenschicht; 4 An embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with integrated in a matching layer intermediate layer;

5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit teilweise umlaufendem Fasergeflecht ohne Anpasskörper; 5 an embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with partially circumferential fiber braid without matching body;

6 der Ultraschallwandler gemäß 5 nach Anbringen der Elektrodenkontakte und des Anpasskörpers; und 6 the ultrasonic transducer according to 5 after attaching the electrode contacts and the matching body; and

7A bis 7D ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit einer durch Klammern fixierten Zwischenschicht. 7A to 7D An embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with an intermediate layer fixed by staples.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

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 Strömungsraten 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.In the 1 is an embodiment of a flow measuring system 110 represented, in which inventive ultrasonic transducer 112 can be used. Such flow measuring systems can be used, for example, in process engineering for measuring flow rates, or in automotive technology for measuring intake and / or exhaust air masses for an internal combustion engine. For example, can be by means of the flow measuring system 110 to the following quantities of gas (or, more generally, the flowing fluid medium): to a flow rate of the medium, to a mass flow and / or (by means of additional information such as a pressure) to a temperature of the medium. Also other embodiments than those in 1 illustrated form and other types of application are conceivable. Not shown in 1 a generally existing control and evaluation, which the ultrasonic transducer 112 controls and receives received signals accordingly.

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.The two ultrasonic transducers 112 are in a flow tube 114 embedded, which in a main flow direction 116 (or in the opposite direction) is flowed through by a fluid medium, such as an intake air mass of an internal combustion engine, at a speed v. For fluids containing little or no entrained particles, there is usually no way to measure with the commonly used Doppler method. Therefore, the sound propagation times, transit time differences or phase differences of ultrasonic signals are usually measured between two ultrasonic transducers 112 with a directional proportion in or against the main flow direction 116 be sent back and forth.

Aus der geometrischen Anordnung (Ultraschallweg der Länge L, Verkippungswinkel α) und der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v ergeben sich die beiden Ultraschall-Laufzeiten zu:

Figure 00110001
Figure 00120001
From the geometric arrangement (ultrasonic path of length L, tilt angle α) and the flow velocity v to be measured, the two ultrasonic transit times result:
Figure 00110001
Figure 00120001

Die Auflösung nach der Strömungsgeschwindigkeit v ergibt: v = L(1/t1 – 1/t2)/2cosα The resolution according to the flow velocity v yields: v = L (1 / t 1 - 1 / t 2 ) / 2cosα

Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit in vielen Fällen als Maß für die Volumenstromrate angesehen werden. Diese Näherung gilt in erster Ordnung, d. h. bei gleich bleibendem 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.there can the flow rate in many cases be considered as a measure of the flow rate. This approximation applies in the first order, d. H. at the same constant velocity profile over the pipe cross-section essentially results in a proportional relation between flow velocity and flow rate, or linear characteristic between these two sizes. A multiplication with the density of the fluid medium (for gases ~ p / T) then gives the particle flow or mass flow.

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.Notwithstanding the in 1 For example, measuring arrangements are also known, in which both ultrasonic transducers 112 are arranged on the same side of the tube with respect to a reflection surface.

In 2 ist als Beispiel eine mögliche Realisierungsform eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt. Neben dem Ultraschallwandler 112 ist schematisch der Wärmeausdehnungskoeffizient α (in 2 mit der Bezugsziffer 210 bezeichnet), die im Betrieb üblicherweise auftretenden thermomechanischen Spannungen σ (in 2 mit der Bezugsziffer 212 bezeichnet) und die akustischen Impedanzen Z der einzelnen Materialien (in 2 mit Bezugsziffer 214 bezeichnet) jeweils als Funktion einer Koordinate parallel zur Längserstreckung senkrecht zum Schichtaufbau des Ultraschallwandlers 112 dargestellt.In 2 is an example of a possible realization of an ultrasonic transducer 112 shown. In addition to the ultrasonic transducer 112 is schematically the coefficient of thermal expansion α (in 2 with the reference number 210 referred to), the normally occurring during operation thermo-mechanical stresses σ (in 2 with the reference number 212 and the acoustic impedances Z of the individual materials (in 2 with reference number 214 respectively) as a function of a coordinate parallel to the longitudinal extent perpendicular to the layer structure of the ultrasonic transducer 112 shown.

Der Ultraschallwandler 112 umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement 216 (hier und im Folgenden auch kurz „Piezo" oder „Piezoelement" genannt) und einen Anpasskörper 218, welcher in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich eine Anpassschicht 220 umfasst. Auch andere Schichtaufbauten des Anpasskörpers 218 bzw. der Anpassschicht 220 (zum Beispiel mehrschichtige Aufbauten) sind jedoch denkbar.The ultrasonic transducer 112 includes a piezoelectric transducer element 216 (Also referred to as "piezo" or "piezoelectric element" here and below) and a matching body 218 which is in the in 2 illustrated embodiment, only a matching layer 220 includes. Also other layer structures of the matching body 218 or the matching layer 220 (For example, multi-layered structures) are conceivable.

Das piezoelektrische Wandlerelement 216 weist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auf seinen Stirnflächen Elektroden 222 auf, welche sich beispielsweise vollflächig oder nahezu vollflächig über diese Stirnflächen erstrecken können. Und welche durch Elektrodenkontakte 226, 228 und Elektrodenzuleitungen 230, 232 kontaktiert werden können.The piezoelectric transducer element 216 points at the in 2 illustrated embodiment on its end faces electrodes 222 which, for example, can extend over these end surfaces over the entire surface or almost over the entire surface. And which by electrode contacts 226 . 228 and electrode leads 230 . 232 can be contacted.

Zwischen die Anpassschicht 220 und das piezoelektrische Wandlerelement 216 ist bei dem in 2 dargestellten, dem Stand der Technik entsprechenden Ultraschallwandler 112 eine Klebeschicht 234 eingebracht. Für Anwendungen bei nicht zu hohen Temperaturen kann dabei beispielsweise entweder ein flexibilisierter Kunststoff verwendet werden, der so ausgelegt ist, dass er selbst Verspannungen in gewissem Maße ausgleichen kann, aber noch hart genug ist, um eine ausreichende akustische Kopplung zu gewährleisten. Entsprechende Klebstoffe haben aufgrund ihrer Flexibilität aber oftmals eine nicht allzu hohe Glasübergangstemperatur (Tg), oberhalb derer das Elastizitätsmodul so stark abnimmt, dass keine oder nur eine geringfügige Kopplung mehr möglich ist. Klebstoffe mit höherem Tg sind dagegen meist härter und vorteilhaft für eine gute akustische Kopplung. Beispiele derartiger Kunststoffe sind Epoxy-Klebstoffe.Between the matching layer 220 and the piezoelectric transducer element 216 is at the in 2 illustrated, the prior art corresponding ultrasonic transducer 112 an adhesive layer 234 brought in. For applications in non-high temperatures, for example, either a flexibilized plastic can be used, which is designed so that it can even compensate for tension to some extent, but still hard enough to ensure sufficient acoustic coupling. However, due to their flexibility, corresponding adhesives often have a glass transition temperature (Tg) which is not too high above which the modulus of elasticity decreases so much that no or only a slight coupling is possible. On the other hand, higher Tg adhesives are usually harder and advantageous for good acoustic coupling. Examples of such plastics are epoxy adhesives.

Für einen derartigen typischen, harten Klebstoff, wie beispielsweise ein Epoxydharz, ist in 2 schematisch der Verlauf 210 der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α entlang der Wandlersymmetrieachse 236 (wobei jedoch natürlich auch nicht-rotationssymmetrische Wandlergeometrien einsetzbar sind) dargestellt, wobei die Koordinate entlang dieser Symmetrieachse 236 mit x bezeichnet ist.For such a typical, hard adhesive, such as an epoxy resin is in 2 schematically the course 210 the thermal expansion coefficient α along the transducer axis of symmetry 236 (However, of course, non-rotationally symmetric transducer geometries are used) shown, wherein the coordinate along this axis of symmetry 236 is denoted by x.

Es ist erkennbar, dass aufgrund des Sprunges im thermischen Ausdehnungskoeffizienten α am Übergang zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 216 und Anpassschicht 220 eine Fehlanpassung (englisch Mismatch) entsteht, welche insbesondere bei Temperaturschockwechseln zu hohen mechanischen Spannungen in der Keramik führt. Diese Spannungen sind in 2 mit σ bezeichnet (Kurve 212) und weisen ein starkes Maximum im Bereich der Klebeschicht 234 am Übergang zwischen piezoelektrischem Wandlerelement 216 und Anpassschicht 220 auf. Durch diese Spannungen kann der Piezo 216 alter (wobei die Polarisation abnimmt) und wobei unter Umständen sogar die Klebeschicht 234 aufweisen kann oder sich Risse im Material der Anpassschicht 220 und/oder des piezoelektri schen Wandlers 216 bilden können. Der akustische Impedanzverlauf Z (Kurve 214) hingegen wird in der Regel durch die Verwendung des harten Klebstoffes für die Klebeschicht 234 nicht gestört, sondern nimmt vorteilhaft vom Piezo 216 hin zum umgebenden fluiden Medium (insbesondere Luft, unterhalb der Anpassschicht 220 in 2) ab.It can be seen that due to the jump in the thermal expansion coefficient α at the transition between piezoelectric transducer element 216 and matching layer 220 a mismatch arises, which leads to high mechanical stresses in the ceramic, especially during thermal shock changes. These tensions are in 2 denoted by σ (curve 212 ) and have a strong maximum in the area of the adhesive layer 234 at the transition between piezoelectric transducer element 216 and matching layer 220 on. These voltages can cause the piezo 216 age (where the polarization decreases) and possibly even the adhesive layer 234 may have or cracks in the material of the matching layer 220 and / or the piezoelectric transducer 216 can form. The acoustic impedance curve Z (curve 214 ), however, is usually by the use of the hard adhesive for the adhesive layer 234 not disturbed, but takes advantage of the piezo 216 towards the surrounding fluid medium (in particular air, below the matching layer 220 in 2 ).

In 3 ist demgegenüber ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 112 schematisch in analoger Darstellung zu 2 abgebildet. Im Unterschied zu dem dem Stand der Technik entsprechenden Ultraschallwandler 112 gemäß 2 weist der Ultraschallwandler 112 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine Zwischenschicht 310 auf, welche zwischen der Anpassschicht 220 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 216 eingebettet ist. Diese Zwischenschicht 310 umfasst neben einem Fasermaterial 312 ein Matrixmaterial 314, in welches das (in dieser Darstellung beispielhaft als gewobene Fasermatte dargestellte) Fasermaterial 312 eingebettet ist. Zur Herstellung des in 3 dargestellten Ultraschallwandlers 112 bietet sich beispielsweise ein Verfahren an, bei welchem zunächst die Anpassschicht 220 in im Wesentlichen zylindrischer Form gefertigt wird. Auch andere Formen sind jedoch denkbar. Die Anpassschicht 220 kann beispielsweise eine Dicke von ca. λ/4 bezüglich der gewünschten Ultraschallwellenlänge aufweisen und entsprechend vorgefertigt werden. Die tatsächlich zu wählende optimale Dicke bezüglich des Wandlerwirkungsgrades, der Signalform und der Bandbreite ergibt sich in der Regel je nach Werkstoffeigenschaften und kann beispielsweise durch FEM-Simulationen (FEM: finite Elementemethode) und/oder durch experimentelle Iteration ermittelt werden. Spezielle Geometrien zur Feinoptimierung des Schwingungsverhaltens und der Abstrahlung bzw. hinsichtlich Aufbau-, Fertigungs- und Handlingsgesichtspunkten können weitere Abweichungen von der zylindrischen Form mit sich bringen.In 3 In contrast, an embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention 112 schematically in analogous representation to 2 displayed. In contrast to the prior art ultrasonic transducer 112 according to 2 has the ultrasonic transducer 112 in the embodiment according to 3 an intermediate layer 310 on which between the matching layer 220 and the piezoelectric transducer element 216 is embedded. This intermediate layer 310 includes besides a fiber material 312 a matrix material 314 , in which the (in this illustration exemplified as a woven fiber mat) fiber material 312 is embedded. For the production of in 3 illustrated ultrasonic transducer 112 offers, for example, a method in which first the matching layer 220 is manufactured in a substantially cylindrical shape. However, other forms are conceivable. The matching layer 220 For example, may have a thickness of about λ / 4 with respect to the desired ultrasonic wavelength and be prefabricated accordingly. The actual thickness to be chosen with regard to the transducer efficiency, the signal shape and the bandwidth generally results depending on the material properties and can be determined, for example, by FEM simulations (FEM: finite element method) and / or by experimental iteration. Special geometries for the fine optimization of the vibration behavior and the radiation or in terms of construction, manufacturing and handling aspects can bring further deviations from the cylindrical shape with it.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Matrixmaterial 314 auf die Anpassschicht 220 und/oder den Piezo 216 aufgebracht. Beispielsweise kann es sich, wie oben ausgeführt, bei diesem Matrixmaterial 314 um einen Klebstoff handeln, welcher aushärtbar ist (zum Beispiel chemisch, thermisch, durch UV-Bestrahlung oder durch ähnliche Methoden oder eine Kombination dieser Methoden). Dieses Aufbringen kann beispielsweise durch ein Dispensieren, durch ein Stempeln, Rakeln oder ähnliche Techniken erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Matrixmaterial 314 auch in oder auf das Fasermaterial 312 auf- bzw. eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Fasermaterial 312 um ein Glasfasergeflecht handeln.In a further process step, the matrix material 314 on the matching layer 220 and / or the piezo 216 applied. For example, as stated above, this matrix material may be 314 be an adhesive that is curable (for example, chemically, thermally, by UV irradiation or by similar methods or a combination of these methods). This application can be done, for example, by dispensing, stamping, doctoring or similar techniques. Alternatively or additionally, the matrix material 314 also in or on the fiber material 312 be introduced or introduced. For example, it may be in the fiber material 312 to trade a fiberglass braid.

Das Fasermaterial 312 wird dann zwischen dem Piezo 216 und der Anpassschicht 220 platziert, und der so erzeugte Gesamtverbund wird zusammengedrückt. Anschließend erfolgt ein Aushärten, beispielsweise, wie oben beschrieben, durch thermische oder chemische Behandlung und/oder durch Bestrahlen mit UV-Licht.The fiber material 312 is then between the piezo 216 and the matching layer 220 is placed, and the overall composite thus created is compressed. Subsequently, a curing, for example, as described above, by thermal or chemical treatment and / or by irradiation with UV light.

Es sei darauf hingewiesen, dass der in 3 dargestellte Ultraschallwandler 112 auch auf andere Weise als durch das beschriebene Verfahren hergestellt werden kann. Bei dem beschriebenen Verfahren können, neben den dargestellten Verfahrensschritten, auch zusätzliche Schritte durchgeführt werden, die nicht aufgeführt sind. Zudem kann die zeitliche Reihenfolge gegenüber der aufgeführten Reihenfolge variieren, und es können einzelne Verfahrensschritte zeitlich parallel und/oder wiederholt durchgeführt werden.It should be noted that the in 3 illustrated ultrasonic transducer 112 can also be prepared in other ways than by the method described. In the described method, in addition to the illustrated method steps, additional steps can be performed, which are not listed. In addition, the time sequence can vary with respect to the sequence listed, and individual process steps can be carried out in parallel and / or repeatedly over time.

Wiederum sind in 3 auch schematisch der thermische Ausdehnungskoeffizient α (Kurve 210), die thermischen Spannungen σ (Kurve 212) und die Impedanz Z (Kurve 214) symbolisch aufgetragen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α der Klebstoff/Faser-Kombination nimmt durch die Fasern stark ab und nähert sich der Keramik bzw. der Elektrodenschicht 224 des piezoelektrischen Wandlers 216 (die Elektrodenschicht umfasst üblicherweise eine Silber-Dickschichtelektrode, kann jedoch auch andere Elektrodenmaterialien umfassen) an. Dadurch nimmt die mechanische Verspannung insgesamt ab und verlagert sich gleichzeitig von der Piezokeramik in die Verbindungsstellen zwischen Klebstoff 314 und Fasern 312. Da an dieser Stelle, in welcher nun hohe Spannungen auftreten, jedoch nicht mehr nur eine flächige Verbindung vorherrscht (Kraftschluss), sondern innerhalb der Maschen ein Formschluss besteht, wirkt sich zudem die Spannung weniger stark auf die Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen Piezo 216 und Anpassschicht 220 aus. Da die akustische Impedanz Z der Klebstoff/Faser-Kombination immer noch zwischen den Werten von den Piezo 216 und die Anpassschicht 220 liegt, ist auch die akustische Kopplung weiterhin gut, solange das Fasergeflecht 312 nicht zu dick gewählt wird, was dann wiederum eine Dämpfung des Ultraschalls bewirken würde. Andererseits kann über eine ausreichend dicke Faserstruktur die Festigkeit erhöht werden, wobei sich gleichzeitig der Bereich vergrößert, über welchen sich die Spannungen verteilen können.Again, in 3 also schematically the thermal expansion coefficient α (curve 210 ), the thermal stresses σ (curve 212 ) and the impedance Z (curve 214 ) symbolically applied. The thermal expansion coefficient α of the adhesive / fiber combination decreases sharply by the fibers and approaches the ceramic or the electrode layer 224 of the piezoelectric transducer 216 (the electrode layer usually comprises a silver thick-film electrode, but may also comprise other electrode materials). As a result, the mechanical stress decreases overall and at the same time shifts from the piezoceramic into the connection points between the adhesive 314 and fibers 312 , Since at this point, in which now high voltages occur, but not only a flat connection prevails (adhesion), but within the mesh is a form-fitting, also affects the voltage less strongly on the strength of the junction between the piezo 216 and matching layer 220 out. Since the acoustic impedance Z of the adhesive / fiber combination is still between the values of the piezo 216 and the matching layer 220 is the acoustic coupling continues to be good, as long as the fiber braid 312 not too thick, which in turn would cause an attenuation of the ultrasound. On the other hand, the strength can be increased over a sufficiently thick fiber structure, at the same time increasing the range over which the voltages can be distributed.

In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 112 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei dem in 4 gezeigten Beispiel keine separate Schicht als Matrixmaterial 314 für die Zwischenschicht 310 verwendet, sondern eine Grenzschicht der Anpassschicht 220. Zu diesem Zweck wird das Fasermaterial 312, wobei es sich beispielsweise wiederum ein Fasergeflecht, insbesondere ein Glasfasergeflecht, handeln kann, in eine noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtete Schicht der Anpassschicht 220 eingebettet, beispielsweise eingepresst.In 4 is another embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention 112 shown. Unlike the in 3 illustrated embodiment is in the in 4 shown example no separate layer as a matrix material 314 for the intermediate layer 310 but a boundary layer of the matching layer 220 , For this purpose, the fiber material 312 in which, for example, once again a fiber braid, in particular a glass fiber braid, may be involved, into a layer of the matching layer which has not yet been completely or not yet fully cured 220 embedded, for example, pressed.

Als Herstellungsverfahren für diese Ausführungsform der Erfindung bietet sich beispielsweise ein Verfahren an, bei welchem zunächst eine (in den Figuren nicht dargestellte) Gießform mit einem noch nicht vernetzten Grundwerkstoff für die Anpassschicht 220 gefüllt wird. Anschließend wird ein bereits elektrisch kontaktierter Piezo 216 mit einem einseitig anliegenden Fasergeflecht 312, welches zuvor mit dem in dem Anpassschichtmaterial enthaltenen Material (zum Beispiel einem Klarharz) getränkt wurde, leicht in das in der Gießform befindliche Anpassschicht-Material eingebettet. Dieser Aufbau wird anschließend (beispielsweise wiederum thermisch, photochemisch oder chemisch) ausgehärtet, um den in 4 dargestellten Aufbau zu erhalten.As a manufacturing method for this embodiment of the invention, for example, offers a method in which first a (not shown in the figures) mold with a not yet crosslinked base material for the matching layer 220 is filled. Subsequently, an already electrically contacted piezo 216 with a single-sided fiber braid 312 previously impregnated with the material contained in the matching layer material (for example, a clear resin) is easily embedded in the matching layer material in the mold. This structure is then cured (for example, once again thermally, photochemically or chemically) to the in 4 to obtain the structure shown.

In den 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, welches auch mit den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, welches jedoch im Wesentlichen eine Abwandlung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Piezo 216 ganz oder teilweise vom Fasergeflecht 312 umschlossen. Dies hat den Vorteil, dass das Fasergeflecht 312 selbst während der Einbettung in die Anpassschicht 220 auch als Fixierung verwendet werden kann. Dies ist in 5 symbolisch durch die Pfeile 510 dargestellt, welche die auf den Piezo 216 bzw. das Fasergeflecht 312 wirkenden Kräfte zeigen.In the 5 and 6 an embodiment is shown, which can also be combined with the embodiments described above, but which is essentially a modification of the in 4 illustrated embodiment shows. In this embodiment, the piezo is 216 wholly or partly of the fiber braid 312 enclosed. This has the advantage that the fiber braid 312 even during embedding in the matching layer 220 can also be used as a fixation. This is in 5 symbolically by the arrows 510 shown which the on the piezo 216 or the fiber braid 312 show acting forces.

Dabei können beide Elektroden 222, 224 bereits, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, durch entsprechende Elektrodenkontakte 226, 228 und Elektrodenzuleitungen 230, 232 kontaktiert sein. Alternativ kann, was in 6 dargestellt ist, auch das Fasergeflecht 312 selbst zur Kontaktierung genutzt werden, insbesondere um die untere Elektro de 224 elektrisch zu kontaktieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein selbstleitfähiges oder mit einer leitfähigen Beschichtung/Füllung versehenes Fasergeflecht, welches zum Beispiel zusätzlich noch mit Leitkleber getränkt werden kann, eingesetzt werden und zur Anpassschicht-seitigen Kontaktierung der Elektrode 224 dienen. Die übrigen Verfahrensschritte, also insbesondere das Einbetten in die noch nicht ausgehärtete Anpassschicht 220, erfolgen analog zur obigen Beschreibung. Alternativ kann dieses Verfahren jedoch auch auf einen Aufbau gemäß 3 angewandt werden.Both electrodes can be used 222 . 224 already, as in the embodiment according to 3 , through appropriate electrode contacts 226 . 228 and electrode leads 230 . 232 be contacted. Alternatively, what's in 6 is shown, also the fiber braid 312 itself be used for contacting, in particular to the lower Elektro de 224 to contact electrically. For this purpose, for example, a self-conductive or provided with a conductive coating / filling fiber braid, which can be soaked in addition, for example, with conductive adhesive, are used and for matching layer-side contacting of the electrode 224 serve. The remaining process steps, ie in particular the embedding in the not yet cured matching layer 220 , take place analogously to the above description. Alternatively, however, this method can also be applied to a design according to 3 be applied.

Nach oder vor dem Aushärten der Anpassschicht 220 können dann weitere Schichten/Komponenten des Anpasskörpers 218 eingebracht werden, wie dies in 6 dargestellt ist. Beispielsweise kann es sich dabei wieder um eine Vergussmasse handeln, welche zum Beispiel die Anbringung der Elektrodenzuleitung 230 mechanisch stabilisiert.After or before the curing of the matching layer 220 can then other layers / components of the matching body 218 be introduced as in 6 is shown. For example, it may again be a potting compound, which, for example, the attachment of the electrode lead 230 mechanically stabilized.

Die in den 5 und 6 dargstellte Variante vereinfacht das Handling bei einer Produktion der Ultraschallwandler 112 erheblich. Insbesondere bei einer Verwendung größerer und schwererer Piezos 216 bietet die dargestellte Variante, bei welcher der Piezo 216 ganz oder teilweise über das Fasergeflecht 312 gehalten werden kann, Vorteile, da in diesen Fällen in der Regel einfache Sauggreifer, wie sie üblicherweise für die Produktion verwendet werden, die schweren und großen Piezos 216 nur schlecht haltern können.The in the 5 and 6 dargstellte variant simplifies handling in a production of ultrasonic transducers 112 considerably. Especially when using larger and heavier piezos 216 offers the illustrated variant, in which the piezo 216 wholly or partly over the fiber braid 312 can be held, advantages, since in these cases usually simple suction grippers, as they are usually used for the production, the heavy and large Piezos 216 can hold only bad.

In den 7A bis 7B sind weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 112 dargestellt, welche auf der Idee einer Fixierung des Piezos 216 und des Fasergeflechts 212 durch Klammern 710 basieren. Dabei ist jeweils aus Gründen der Anschaulichkeit in diesen Darstellungen auf die Anpassschicht 220, welche sich zum Beispiel bei der Ausführung in 7A auf der Unterseite des Fasergeflechts 312 anschließen würde, verzichtet bzw. es sind Zwischenprodukte dargestellt, welche anschließend noch (zum Beispiel analog zu dem Ausführungsbeispiel in 3 oder dem Ausführungsbeispiel in 4) mit einer derartigen Anpassschicht 220 verbunden werden müssen bzw. in einen Anpasskörper 218 eingebettet werden müssen.In the 7A to 7B are further embodiments of an ultrasonic transducer according to the invention 112 shown, which on the idea of fixing the piezos 216 and the fiber braid 212 through brackets 710 based. In each case, for reasons of clarity in these illustrations, the matching layer is used 220 which, for example, when executed in 7A on the underside of the fiber braid 312 would join, omitted or there are intermediates shown, which then still (for example, analogous to the embodiment in 3 or the embodiment in 4 ) with such a matching layer 220 must be connected or in a matching body 218 must be embedded.

So zeigen die 7A und 7B eine Schnittdarstellung (7A) bzw. eine ausschnittsweiseperspektivische Darstellung (7B) einer ersten derartigen Variante, bei welcher der Piezo 216 über eine Klammer 710 kontaktiert wird. Diese Klammer 710 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Stanz-Biegeteil ausgestaltet, wobei jedoch auch andere Ausführungsformen möglich sind.So show the 7A and 7B a sectional view ( 7A ) or a partial perspective view ( 7B ) of a first such variant, in which the piezo 216 over a bracket 710 will be contacted. This clip 710 is configured in the illustrated embodiment as a stamped and bent part, but other embodiments are possible.

Die Klammern 710 dienen dabei also im vorliegenden Beispiel sowohl der Fixierung des Fasergeflechts 312 als auch der elektrischen Kontaktierung. Es ist jedoch auch denkbar, lediglich eine Fixierung des Fasergeflechts 312 zu bewirken und/oder lediglich eine elektrische Kontaktierung des Piezos 216.The brackets 710 In the present example, both serve to fix the fiber braid 312 as well as the electrical contact. However, it is also conceivable only a fixation of the fiber braid 312 to effect and / or only an electrical contacting of the piezo 216 ,

Bei dem in den 7A und 7B dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 222 bzw. 224 dabei jeweils Aussparungen 712 auf, wie beispielsweise aus der perspektivischen Darstellung in 7B zu erkennen ist. Dabei sind mehrere Klammern 710 vorgesehen, wobei jeweils mindestens eine Klammer die obere Elektrode 222 und mindestens eine weitere Klammer 710 die untere Elektrode 224 kontaktiert. So ist beispielsweise in der Darstellung gemäß 7A die linke der beiden Klammern 710 zur Kontaktierung der oberen Elektrode 222 vorgesehen, so dass die untere Elektrode 224 im Bereich des unteren Arms dieser linken Klammer 710 eine Aussparung 712 aufweist. Analog ist die rechts der dargestellten Klammern 710 für die Kontaktierung der unteren Elektrode 224 vorgesehen, so dass die obere Elektrode 222 im Bereich des oberen Arms dieser rechten Klammer 710 eine entsprechende Aussparung 712 aufweist (siehe hierzu auch 7B). Auch andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar, welche einen Kurzschluss der beiden Elektroden 222, 224 durch die Klammern 710 verhindern, beispielsweise entsprechende Ausgestaltungen der Geometrie der Fasern 312. Bei dem in 7A und 7B dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Klammern 710 einen nach oben herausragenden Anschlusskontakt 714 auf, durch welchen leicht eine Kontaktierung möglich ist, beispielsweise durch Anklemmen und/oder Anlöten entsprechender Elektrodenzuleitungen (in den 7A und 7B nicht dargestellt).In the in the 7A and 7B illustrated embodiment, the electrodes 222 respectively. 224 each with recesses 712 on, as for example from the perspective view in 7B can be seen. There are several parentheses 710 provided, wherein in each case at least one clip, the upper electrode 222 and at least one more clip 710 the lower electrode 224 contacted. For example, in the illustration according to 7A the left of the two brackets 710 for contacting the upper electrode 222 provided so that the lower electrode 224 in the area of the lower arm of this left bracket 710 a recess 712 having. Analog is the right of the brackets shown 710 for contacting the lower electrode 224 provided so that the upper electrode 222 in the area of the upper arm of this right bracket 710 a corresponding recess 712 has (see also 7B ). However, other embodiments are also conceivable which short-circuit the two electrodes 222 . 224 through the brackets 710 prevent, for example, corresponding embodiments of the geometry of the fibers 312 , At the in 7A and 7B illustrated embodiment, the brackets 710 an upwardly protruding connection contact 714 on, by which a contact is easily possible, for example by clamping and / or soldering corresponding electrode leads (in the 7A and 7B not shown).

In den 7C und 7D ist eine Abwandlung des in den 7A und 7B dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt, welches wiederum die Idee der Verwendung von Klammern 710 realisiert. Dabei zeigt 7C eine Draufsicht von oben auf den Ultraschallwandler 112, so dass die obere Elektrode 222 sichtbar ist. Entsprechend zeigt 7D eine Draufsicht von unten auf den Ultraschallwandler 112 (wiederum ist die Anpass schicht 220 noch nicht angefügt), so dass die untere Elektrode 224 und das darüber liegende Fasergeflecht 312 erkennbar sind.In the 7C and 7D is a modification of the in the 7A and 7B shown embodiment, which in turn the idea of using brackets 710 realized. It shows 7C a top view of the ultrasonic transducer 112 so that the upper electrode 222 is visible. According to shows 7D a plan view from below of the ultrasonic transducer 112 (Again, the fitting layer 220 not yet attached), leaving the bottom electrode 224 and the overlying fiber braid 312 are recognizable.

In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Klammern 710 vorgesehen. Davon werden zwei Klammern (in 7C die Klammern in 11 Uhr-Position und in 7 Uhr-Position) zur Kontaktierung der oberen Elektrode 222 und gleichzeitig zum Anklemmen des Fasergeflechts 312 eingesetzt. Die dritte Klammer 710 (in 7C auf 3 Uhr-Position) wird hingegen ausschließlich zum Kontaktieren der unteren Elektrode 224 verwendet. Dementsprechend weist wiederum die obere Elektrode 222 eine Aussparung 712 auf, so dass die in 7C in 3 Uhr-Position befindliche 710 diese Elektrode 222 nicht kontaktiert. Das Fasergeflecht 312 hingegen, welches in diesem Ausführungsbeispiel näherungsweise eine runde Gestalt hat, weist ebenfalls eine Aussparung 316 auf, die es der dritten Klammer (in 7C in 3 Uhr-Position) ermöglicht, die untere Elektrode 224 zu kontaktieren.In this embodiment, three brackets 710 intended. Of these, two parentheses (in 7C the clamps in 11 o'clock position and 7 o'clock position) for contacting the upper electrode 222 and at the same time for clamping the fiber braid 312 used. The third bracket 710 (in 7C on the 3 o'clock position), on the other hand, is exclusively for contacting the lower electrode 224 used. Accordingly, in turn, the upper electrode 222 a recess 712 on, so that in 7C in 3 o'clock position 710 this electrode 222 not contacted. The fiber network 312 however, which in this embodiment has approximately a round shape, also has a recess 316 on it the third bracket (in 7C in 3 o'clock position) allows the lower electrode 224 to contact.

Die zuvor beschriebenen Klammern 710 können zusätzlich mit Klebstoff und/oder Leitkleber am Fasergeflecht 312 und/oder an den Elektroden 222 bzw. 224 fixiert werden bzw. diese kontaktieren.The brackets described above 710 can additionally with adhesive and / or conductive adhesive on the fiber braid 312 and / or at the electrodes 222 respectively. 224 be fixed or contact them.

In dem in den 7A bis 7D verwendeten Ausführungsbeispiel können, wie auch in den vorangehenden Ausführungsbeispielen, als mögliche Faserwerkstoffe des Fasermaterials 312 organische Materialien, wie zum Beispiel Kohlefaser (ein Material mit negativem Ausdehnungskoeffizient α, welches überdies in der Regel leitfähige Eigenschaften aufweist), Borfasern, Metalle, anorganische Materialien wie zum Beispiel Glasfasern und/oder Keramikfasern (polykristallin oder amorph) oder andere Faserwerkstoffe eingesetzt werden. Diese Fasern können zusätzlich silanisiert werden, um die Haftung zum Matrixmaterial 314 (insbesondere dem Klebstoff) und/oder zur Anpassschicht 220 zu verbessern.In the in the 7A to 7D used embodiment, as in the preceding embodiments, as possible fiber materials of the fiber material 312 organic materials such as carbon fiber (a material having a negative coefficient of expansion α, which also usually has conductive properties), boron fibers, metals, inorganic materials such as glass fibers and / or ceramic fibers (polycrystalline or amorphous) or other fiber materials. These fibers can additionally be silanized to ensure adhesion to the matrix material 314 (in particular the adhesive) and / or the matching layer 220 to improve.

Wiederum kann, wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen, auch bei den Ausführungsbeispielen in den 7A bis 7D der Ultraschallwandler 112 so gefertigt werden, dass die Fasern des Fasermaterials 312 in einem separaten Matrixmaterial 314 (zum Beispiel einem Klebstoff und/oder einem Leitkleber) zu liegen kommen oder in einem Werkstoff der Anpassschicht 220, beispielsweise einem Klarharzanteil dieses Anpassschichtwerkstoffes.Again, as in the other embodiments, also in the embodiments in the 7A to 7D the ultrasonic transducer 112 be made so that the fibers of the fiber material 312 in a separate matrix material 314 (For example, an adhesive and / or a conductive adhesive) come to rest or in a material of the matching layer 220 , For example, a clear resin content of this matching layer material.

Statt eines, wie in den 7A bis 7D dargestellten Fasergeflechts als Fasermaterial 312 oder einer anderen vorgefertigten Struktur, kann, in diesem wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auch ein Kunststoff, ein Klebstoff und/oder ein Polymerwerkstoff eher ungeordnet mit Fasern gefüllt werden, dieser Verbundwerkstoff dann auf den Piezo 216 aufgetragen werden, wonach wiederum der Anpassschichtkörper 220 aufgedrückt wird oder aber dessen Grundwerkstoff im noch nicht oder nicht vollständig vernetzten Zustand „nass-in-nass" mit dem Wandler und dem Faserverbund in Kontakt gebracht wird und das Gesamtteil anschließend gemeinsam ausgehärtet wird.Instead of one, like in the 7A to 7D shown fiber braid as fiber material 312 or another prefabricated structure, in this as well as in the preceding embodiments, a plastic, an adhesive and / or a polymer material can be rather disordered filled with fibers, this composite then on the piezo 216 are applied, which in turn the Anpassschichtkörper 220 is pressed or its base material in the not or not fully networked state "wet-on-wet" is brought into contact with the transducer and the fiber composite and the entire part is then cured together.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102004060064 A1 [0001] - DE 102004060064 A1 [0001]

Claims (20)

Ultraschallwandler (112), umfassend ein piezoelektrisches Wandlerelement (216) und einen Anpasskörper (218) mit einer Anpassschicht (220) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) und einem umgebenden fluiden Medium, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) und der Anpassschicht (220) mindestens eine Zwischenschicht (310) zur Reduktion thermischer Spannungen zwischen der Anpassschicht (220) und dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (310) ein Fasermaterial (312) umfasst.Ultrasonic transducer ( 112 ) comprising a piezoelectric transducer element ( 216 ) and a matching body ( 218 ) with a matching layer ( 220 ) to promote a vibration coupling between the piezoelectric transducer element ( 216 ) and a surrounding fluid medium, characterized in that between the piezoelectric transducer element ( 216 ) and the matching layer ( 220 ) at least one intermediate layer ( 310 ) for reducing thermal stresses between the matching layer ( 220 ) and the piezoelectric transducer element ( 216 ), the intermediate layer ( 310 ) a fiber material ( 312 ). Ultraschallwandler (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Fasermaterial (312) mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: lose Fasern; ein Fasergeflecht; ein Faserverbundmaterial.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the fiber material ( 312 ) comprises at least one of the following materials: loose fibers; a fiber braid; a fiber composite material. Ultraschallwandler (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fasermaterial (312) mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: ein organisches Fasermaterial; ein Kohlefasermaterial; ein Bor-haltiges Fasermaterial, insbesondere Borfasern; ein metallhaltiges Fasermaterial, insbesondere Metallfasern; ein anorganisches Fasermaterial, insbesondere in polykristalliner oder amorpher Form, insbesondere ein Glasfasermaterial oder ein Keramikfasermaterial.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the two preceding claims, wherein the fiber material ( 312 ) comprises at least one of the following materials: an organic fiber material; a carbon fiber material; a boron-containing fiber material, in particular boron fibers; a metal-containing fiber material, in particular metal fibers; an inorganic fiber material, in particular in polycrystalline or amorphous form, in particular a glass fiber material or a ceramic fiber material. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (310) neben dem Fasermaterial (312) weiterhin ein Matrixmaterial (314) umfasst, wobei das Matrixmaterial (314) mindestens einen der folgenden Werkstoffe umfasst: ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz; einen Polyester; ein BMC-Material; einen Klebstoff; ein thermoplastisches Polymer; ein duroplastisches Polymer.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer ( 310 ) next to the fiber material ( 312 ) a matrix material ( 314 ), wherein the matrix material ( 314 ) comprises at least one of the following materials: a resin, in particular an epoxy resin; a polyester; a BMC material; an adhesive; a thermoplastic polymer; a thermosetting polymer. Ultraschallwandler (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Matrixmaterial (314) zumindest teilidentisch ist mit einem Material des Anpasskörpers (218), insbesondere der Anpassschicht (220).Ultrasonic transducer ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the matrix material ( 314 ) is at least partially identical with a material of the matching body ( 218 ), in particular the matching layer ( 220 ). Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassschicht (220) ein Polymermaterial umfasst, insbesondere ein thermisch, chemisch oder photochemisch aushärtbares oder vernetzbares Polymermaterial.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to any one of the preceding claims, wherein the matching layer ( 220 ) comprises a polymer material, in particular a thermally, chemically or photochemically curable or crosslinkable polymer material. Ultraschallwandler (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Polymermaterial mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein syntaktisches Material; ein duroplastisches Material, insbesondere ein Epoxidharz, ein Polyester, ein Phenolharz oder einen Cyanatester; einen Thermoplast; ein Elastomer, insbesondere Silikon; ein Polymerblend; ein Polyimid, insbesondere Kapton.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the polymer material comprises at least one of the following materials: a syntactic material; a thermosetting material, in particular an epoxy resin, a polyester, a phenolic resin or a cyanate ester; a thermoplastic; an elastomer, in particular silicone; a polymer blend; a polyimide, especially Kapton. Ultraschallwandler (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial mindestens einen Füllstoff aufweist, insbesondere mindestens einen der folgenden Füllstoffe: Hohlräume; Fasern; Glashohlkugeln; Kunststoffhohlkugeln; einen flüchtigen Füllstoff, insbesondere einen während oder nach einem Vernetzen des Polymers entweichenden oder entfernbaren Füllstoff.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the two preceding claims, wherein the polymer material has at least one filler, in particular at least one of the following fillers: cavities; fibers; Hollow glass spheres; Hollow plastic beads; a volatile filler, especially a filler which escapes or is removable during or after crosslinking of the polymer. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (310) das piezoelektrische Wandlerelement (216) zumindest teilweise umschließt.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer ( 310 ) the piezoelectric transducer element ( 216 ) at least partially encloses. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (310) zumindest teilweise elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer ( 310 ) has at least partially electrically conductive properties. Ultraschallwandler (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zwischenschicht (310) mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: einen Leitkleber, Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, einen leitfähigen Kunststoff.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the intermediate layer ( 310 ) comprises at least one of the following materials: a conductive adhesive, metal particles, carbon particles, a conductive plastic. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (310) durch eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Klammerverbindung, mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) verbunden ist.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer ( 310 ) by a frictional connection, in particular by a clamp connection, with the piezoelectric transducer element ( 216 ) connected is. Ultraschallwandler (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die kraftschlüssige Verbindung mindestens eine Elektrode (222, 224) des piezoelektrischen Wandlerelements (216) elektrisch kontaktiert.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the frictional connection at least one electrode ( 222 . 224 ) of the piezoelectric transducer element ( 216 ) contacted electrically. Ultraschallwandler (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klammerverbindung eine Klammer (710) umfasst, wobei die Klammer (710) zusätzlich durch eine Klebeverbindung und/oder einen Leitkleber mit dem Fasermaterial (312) und/oder dem piezoelektrischen Wandlerelement (216), insbesondere einer Elektrode (222, 224) des piezoelektrischen Wandlerelements (216), verbunden ist.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the two preceding claims, wherein the clip connection comprises a clip ( 710 ), wherein the bracket ( 710 ) additionally by an adhesive bond and / or a conductive adhesive with the fiber material ( 312 ) and / or the piezoelectric transducer element ( 216 ), in particular an electrode ( 222 . 224 ) of the piezoelectric transducer element ( 216 ), connected is. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Wandlerelement (216) ganz oder teilweise in den Anpasskörper (218) eingebettet ist.Ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric transducer element ( 216 ) wholly or partly into the matching body ( 218 ) is embedded. Strömungsmesssystem (110), umfassend mindestens einen Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens eine mit dem Ultraschallwandler (112) verbundene Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung mindestens einer Strömungsgröße eines strömenden fluiden Mediums.Flow measuring system ( 110 ) comprising at least one ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding claims and mindes least one with the ultrasonic transducer ( 112 ) connected control and evaluation for determining at least one flow variable of a flowing fluid medium. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (112), insbesondere eines Ultraschallwandlers (112) nach einem der vorhergehenden, auf einen Ultraschallwandler (112) gerichteten Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler (112) ein piezoelektrisches Wandlerelement (216) und einen Anpasskörper (218) mit einer Anpassschicht (220) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) und einem umgebenden fluiden Medium umfasst, wobei zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) und der Anpassschicht (220) mindestens eine Zwischenschicht (310) zur Reduktion thermischer Spannungen zwischen der Anpassschicht (220) und der Anpassschicht (220) vorgesehen ist, wobei die Zwischen schicht (310) ein Fasermaterial (312) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – der Anpasskörper (218) mit der Anpassschicht (220) wird erzeugt; – die Zwischenschicht (310) wird erzeugt; und – der Anpasskörper (218) wird mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) verbunden, wobei die Zwischenschicht (310) zwischen der Anpassschicht (220) und dem piezoelektrischen Wandlerelement (216) eingebettet wird.Method for producing an ultrasonic transducer ( 112 ), in particular an ultrasonic transducer ( 112 ) according to one of the preceding, to an ultrasonic transducer ( 112 ), wherein the ultrasonic transducer ( 112 ) a piezoelectric transducer element ( 216 ) and a matching body ( 218 ) with a matching layer ( 220 ) to promote a vibration coupling between the piezoelectric transducer element ( 216 ) and a surrounding fluid medium, wherein between the piezoelectric transducer element ( 216 ) and the matching layer ( 220 ) at least one intermediate layer ( 310 ) for reducing thermal stresses between the matching layer ( 220 ) and the matching layer ( 220 ), whereby the intermediate layer ( 310 ) a fiber material ( 312 ), the method comprising the steps of: - the matching body ( 218 ) with the matching layer ( 220 ) is generated; - the intermediate layer ( 310 ) is generated; and - the matching body ( 218 ) is connected to the piezoelectric transducer element ( 216 ), the intermediate layer ( 310 ) between the matching layer ( 220 ) and the piezoelectric transducer element ( 216 ) is embedded. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Klebstoff und/oder ein aushärtbarer Kunststoff auf das piezoelektrische Wandlerelement (216) und/oder den Anpasskörper (218) aufgetragen wird, wobei das Fasermaterial (312) in den Klebstoff und/oder den aushärtbaren Kunststoff eingebettet wird, wobei das piezoelektrische Wandlerelement (216) und der Anpasskörper (218) durch Pressen miteinander verbunden werden und wobei der Klebstoff und/oder der aushärtbare Kunststoff zumindest teilweise ausgehärtet werden.Method according to the preceding claim, wherein an adhesive and / or a curable plastic on the piezoelectric transducer element ( 216 ) and / or the matching body ( 218 ) is applied, wherein the fiber material ( 312 ) is embedded in the adhesive and / or the curable plastic, wherein the piezoelectric transducer element ( 216 ) and the matching body ( 218 ) are joined together by pressing and wherein the adhesive and / or the curable plastic are at least partially cured. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Material des Anpasskörpers (218) und mindestens ein Material der Zwischenschicht (310) gleichzeitig ausgehärtet werden.Method according to one of the two preceding claims, wherein at least one material of the matching body ( 218 ) and at least one material of the intermediate layer ( 310 ) are cured simultaneously. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anpasskörper (218) mindestens ein aushärtbares Material aufweist, wobei beim Bilden der Zwischenschicht (310) das Fasermaterial (312) in eine oberste Schicht des aushärtbaren Materials des Anpasskörpers (218) eingebettet wird und wobei das aushärtbare Material des Anpasskörpers (218) ausgehärtet wird.Method according to one of the three preceding claims, wherein the matching body ( 218 ) has at least one curable material, wherein in forming the intermediate layer ( 310 ) the fiber material ( 312 ) in an uppermost layer of the curable material of the matching body ( 218 ) and wherein the curable material of the matching body ( 218 ) is cured.
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