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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler bekannt, welche zum Abstrahlen von Ultraschallwellen in ein fluides Medium und/oder zum Aufnehmen von Ultraschallwellen aus dem fluiden Medium eingesetzt werden können. Beispielsweise können derartige Ultraschallwandler in Ultraschall-Durchflussmessern eingesetzt werden, beispielsweise in der Verfahrenstechnik und/oder im Automobilbereich. Beispiele von Ultraschallwandlern sind
DE 10 2007 010 500 A1 , in
DE 42 30 773 C1 sowie in
EP 0 766 071 A1 dargestellt. Die dort beschriebenen Ultraschallwandler können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden, so dass für mögliche Ausgestaltungen auf diese Druckschriften verwiesen werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallströmungsmesser mit Luft-Ultraschallwandlern auf Basis einer Piezokeramik bekannt, welche eine Impedanzanpassschicht umfassen, beispielsweise eine λ/4-Impedanzanpassungsschicht. Die Impedanzanpassschicht dient dazu, den großen Unterschied der akustischen Impedanzen von Luft und Keramik zu überbrücken. Das Material der Impedanzanpassschicht muss dazu in der Regel einerseits eine nicht zu große Dämpfung und andererseits eine akustische Impedanz aufweisen, die zwischen der Impedanz des fluiden Mediums und der Impedanz der Piezokeramik liegt. Der theoretische, optimale Wert liegt für ebene Wellen in der Regel im geometrischen Mittel dieser beiden Impedanzen. Aufgrund der geringen Luft-Impedanz lässt sich dieser theoretische Wert in der Regel nur mit extrem porösen Werkstoffen, wie beispielsweise Aerogelen erzielen, die allerdings weniger robust sind. In der Realität erreicht man auch mit syntaktischen Schäumen höherer Dichte brauchbare Resultate. Ein häufig verwendeter Werkstoff für die Impedanzanpassschicht ist Epoxydharz mit einer Füllung aus Glashohlkugeln. Auch porös gesintertes Polyimid lässt sich einsetzen. Statt einer einzigen Anpassschicht wird in vielen Fällen auch eine Abfolge mehrerer Schichten eingesetzt, so dass sich beispielsweise über eine schrittweise Impedanzanpassung eine höhere Ultraschallamplitude oder Ultraschallbandbreite erzielen lässt. Eine zusätzliche Schicht kann auch dazu verwendet werden, das piezoelektrische Wandlerelement vor thermisch bedingten Zug- oder Scherspannungen zu schützen.
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Durch die tatsächlich erreichte Impedanzanpassung zwischen Piezoelement und Luft besteht bei realen Luftultraschallwandlern, im Gegensatz zu Anwendungen in Flüssigkeiten, in der Regel die Schwierigkeit, eine ausreichende Schallenergie in die Luft einzukoppeln oder aus der Luft zu empfangen. Gewöhnlich wird die Schallenergie, abgesehen von einem äußerst kleinen Bruchteil des eigentlichen Nutzsignals, zum größten Teil an den Grenzflächen des Piezos oder der Impedanzanpassungsschicht zurückreflektiert. Der Einkopplung des Körperschalls vom Piezo in dessen Befestigung, beispielsweise mittels eines Dämpfungsvergusses, eines Entkopplungselements, eines Wandlergehäuses oder ähnlichem, sind dagegen meist nur vergleichsweise geringe Impedanzunterschiede entgegengesetzt. Selbst bei einer Einbettung eines Wandlerkerns in ein weiches Silikon erfolgt in der Regel immer noch ein parasitärer Schallübergang in die umgebenden Materialien und/oder an einen zweiten Wandler, wie er beispielsweise zur Strömungsmessung in vielen Fällen eingesetzt wird. Dieser parasitäre Schallübergang ist in der Regel wesentlich stärker als das eigentliche Nutzsignal über die Luft und klingt auch bis zum Eintreffen dieses eigentlichen Nutzsignals in der Regel nicht ausreichend ab. Dementsprechend wird in vielen Fällen eine Körperschallentkopplung eingesetzt, indem Silikon- und/oder Elastomer-Formteile, wie beispielsweise O-Ringe eingesetzt werden. Eine Entkopplung wird dabei in der Regel durch eine geometrische Ausformung verbessert, beispielsweise indem eine Reduktion auf eine lediglich linienförmige Ankopplung eines O-Rings an den Wandlerkern erfolgt, gegebenenfalls auch in Schwingungsknoten des Wandlergehäuses.
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In der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nr.
DE 10 2008 055 126.0 aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium beschrieben. Bei diesem Ultraschallwandler wird unter anderem vorgeschlagen, zwischen einem Gehäuse des Ultraschallwandlers und einem Anpasskörper ein Entkopplungselement vorzusehen. Als Beispiele für Materialien derartiger Entkopplungselemente werden Elastomermaterialien vorgeschlagen, welche auch Gas-gefüllte Holhlkugeln oder Gaseinschlüsse umfassen können.
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Nachteilig an diesen bekannten Lösungen ist jedoch in der Regel eine unzureichende Medienresistenz der verwendeten Entkopplungswerkstoffe oder der Verbindungsstellen zwischen Entkopplungswerkstoff und den angrenzenden Materialien. Diesem Nachteil kann in der Regel durch eine geeignete Beschichtung, beispielsweise eine Teflonbeschichtung, eine Parylene- oder eine Lackschicht, begegnet werden. Weiterhin kann grundsätzlich auch zur Abdichtung eine Folie verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit einer offenporigen Anpassungsschicht, zum Beispiel aus porös gesintertem Polyimid. Wenn der Ultraschallwandler auch Druckbelastungen Stand zu halten hat, sollte die Beschichtung und/oder die Folie jedoch in direktem und durchgängigem Kontakt mit der Impedanzanpassungsschicht, dem Entkopplungswerkstoff und der weiteren Wandlerumgebung, beispielsweise einer Hülse oder einem Gehäuse stehen, um entsprechende Kräfte weitergeben zu können. Dies gestaltet sich jedoch in der Praxis angesichts von Montagetoleranzen der relativ weichen Entkopplungsformteile als äußerst schwierig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden daher ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Ultraschallwandler und Herstellungsverfahren zumindest teilweise vermeiden. Der Ultraschallwandler kann insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt werden, und das Herstellungsverfahren kann zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers genutzt werden, so dass bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Beschreibung des Ultraschallwandlers verwiesen werden kann und umgekehrt.
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In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Beispielsweise kann dieser Ultraschallwandler, wie oben dargestellt, in einem gasförmigen Medium (beispielsweise Luft und/oder Abgas) oder in einer anderen Art von fluidem Medium eingesetzt werden. Insbesondere kann der Ultraschallwandler für eine Strömungsmessung zum Einsatz kommen, beispielsweise in Durchflussmessern für den Automobilbereich. Der Ultraschallwandler umfasst mindestens einen Wandlerkern, wobei der Wandlerkern mindestens ein akustisch-elektrisches Wandlerelement umfasst. Unter einem akustisch-elektrischen Wandlerelement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Wandlerelement zu verstehen, welches in der Lage ist, elektrische Signale in akustische Signale, insbesondere Ultraschallsignale, umzuwandeln und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann das akustisch-elektrische Wandlerelement mindestens eine piezoelektrisches Wandlerelement umfassen. Darüber hinaus kann der Wandlerkern, wie unten noch näher ausgeführt wird, mindestens einen Anpasskörper zur Verbesserung der Kopplungseigenschaften zwischen fluidem Medium und akustisch-elektrischem Wandlerelement umfassen, beispielsweise eine λ/4-Impedanzanpassschicht oder mehrere derartiger Schichten. Alternativ oder zusätzlich kann der Wandlerkern, wie unten noch näher ausgeführt wird, weitere Elemente umfassen, beispielsweise eine oder mehrere thermische Anpassschichten, welche in Alleinstellung oder auch beispielsweise zwischen dem akustisch-elektrischen Wandlerelement und einem Anpasskörper angeordnet sein können. Weiterhin kann der Wandlerkern vorzugsweise mindestens eine dem fluiden Medium zuweisende Abstrahlfläche zum Auskoppeln und/oder Einkoppeln von Ultraschallwellen aufweisen. Diese Abstrahlfläche verbleibt vorzugsweise zumindest teilweise unbedeckt von dem unten noch näher zu erläuternden Entkopplungselement.
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Der Ultraschallwandler umfasst weiterhin mindestens ein Entkopplungselement. Das Entkopplungselement ist eingerichtet, um eine Körperschall-Kopplung zwischen dem Wandlerkern und einem Gehäuse zumindest zu vermindern. Zu diesem Zweck weist das Entkopplungselement mindestens ein poröses Kunststoffmaterial auf. Unter einem porösen Kunststoffmaterial ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Kunststoffmaterial zu verstehen, welches eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist, welche zusammenhängend oder nicht-zusammenhängend ausgestaltet sein können. Die Hohlräume lassen sich grundsätzlich auf verschieden Weisen erzeugen. Die Hohlräume sind besonders bevorzugt unmittelbar in einer Matrix des Kunststoffmaterials eingebettet, also beispielsweise nicht umkapselt in Form von Hohlkugeln. In diesem Fall sind die Hohlräume direkt als Hohlräume in der Matrix, beispielsweise in einem Matrixmaterial der Matrix, ausgebildet, beispielsweise als Poren. Eine Umkapselung ist jedoch gleichwohl prinzipiell möglich. Beispielsweise lassen sich Hohlkörper in der Matrix einbetten. Grundsätzlich verwendbar, wenn auch weniger bevorzugt, wären beispielsweise starre Glashohlkörper, beispielsweise Glashohlkugeln. Alternativ oder zusätzlich sind vorteilhaft Kunststoffhohlkörper verwendbar, beispielsweise Kunststoffhohlkugeln, welche vorzugsweise eine Kompressibilität aufweisen. Wiederum alternativ oder zusätzlich sind, wie oben ausgeführt, auch Hohlräume ohne Ummantelung einsetzbar. Die Poren des porösen Kunststoffmaterials können beispielsweise durch ein Gas oder auch durch Vakuum gefüllt sein. Beispiele werden unten näher angegeben. Insbesondere kann das poröse Kunststoffmaterial ein geschäumtes Kunststoffmaterial aufweisen. Das poröse Kunststoffmaterial umfasst mindestens einen Duroplasten und/oder mindestens einen Thermoplasten. Insbesondere kann der mindestens eine Duroplast und/oder der mindestens eine Thermoplast als Matrixmaterial verwendet werden, vorzugsweise als homogenes Matrixmaterial, in welches unmittelbar die Poren bzw. Hohlräume, beispielsweise der Hohlkörper, eingebettet sind. Unter einem Thermoplasten oder auch Plastomer wird dabei ein Kunststoff bezeichnet, welcher sich zumindest im Anwendungstemperaturbereich des Ultraschallwandlers, beispielsweise innerhalb einer Temperatur von –40°C bis +110°C, im Wesentlichen nicht oder nur unwesentlich verformen lässt, wohingegen eine Erwärmung in einen erhöhten Temperaturbereich, z. B. oberhalb einer Glasübergangstemperatur, zu einer Verformbarkeit führt. Unter einem Duroplasten, auch Duromer oder englisch Thermosetting Polymer, wird allgemein ein Kunststoff verstanden, der nach seiner Aushärtung nicht mehr oder nur noch unwesentlich verformbar ist. Für weitere mögliche Abgrenzungen thermoplastischer und duroplastischer Materialien gegenüber anderen Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Elastomeren, kann zum Beispiel auf Hans-Georg Elias, Macromelecules, Vol. 3: Physical Structures and Properties, 2008, Seite 2 verwiesen werden.
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Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eines oder mehrere der folgenden Kunststoffmaterialien umfassen: ein poröses thermoplastisches Material; ein geschäumtes thermoplastisches Material; ein poröses duroplastisches Material; ein geschäumtes duroplastisches Material; ein poröses Epoxidharz; ein geschäumtes Epoxidharz. Insbesondere geschäumte Epoxidharze haben sich hinsichtlich ihrer Verarbeitungseigenschaften sowie hinsichtlich ihrer Eignung als Entkopplungselemente als vorteilhaft erwiesen. Die Entkopplungselemente können als fertige Formteile in den Ultraschallwandler eingebracht werden, oder es kann, alternativ oder zusätzlich, die Formgebung des Entkopplungselements auch erst ganz oder teilweise innerhalb des Ultraschallwandlers, beispielsweise in dem Gehäuse des Ultraschallwandlers, erfolgen, beispielsweise in einem Zwischenraum zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse des Ultraschallwandlers. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden unten noch näher beschrieben.
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Das poröse Kunststoffmaterial kann insbesondere ein Porositätsgrad von mindestens 5 Vol.-% und vorzugsweise von mindestens 10 Vol.-% aufweisen. Das poröse Kunststoffmaterial kann vorzugsweise Hohlräume mit einem mittleren Durchmesser von 5 bis 200 μm aufweisen, insbesondere von kleiner als 80 μm, beispielsweise zwischen 5 und 50 μm. Auch andere Bereich sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Der Ultraschallwandler kann weiterhin mindestens ein Gehäuse umfassen. Dieses Gehäuse kann den Wandlerkern zumindest teilweise umschließen. Zwischen dem Gehäuse und dem Wandlerkern kann ein Zwischenraum ausgebildet sein, beispielsweise ein ringförmiger Zwischenraum. Dieser Zwischenraum kann zumindest teilweise mit dem Entkopplungselement ausgefüllt sein. Dieses Ausfüllen erfolgt vorzugsweise derart, dass die oben beschriebene Abstrahlfläche des Wandlerkerns zumindest teilweise frei von dem Entkopplungsmaterial bleibt. Beispielsweise kann der Zwischenraum derart ausgestaltet sein, dass, vom fluiden Medium her betrachtet, die Abstrahlfläche des Wandlerkerns ringförmig von einer Fläche des Entkopplungselements umgeben ist, welche wiederum ringförmig von dem Gehäuse umgeben ist. Dabei kann eine runde, insbesondere kreisförmige, eine polygonale oder grundsätzlich eine beliebige Geometrie der Ringform gegeben sein. Vorzugsweise bilden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Abstrahlfläche des Wandlerkerns, die Grenzfläche des Entkopplungselements und der Rand des Gehäuses, welche dem fluiden Medium zuweisen, eine im Wesentlichen ebene Fläche.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers im Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, insbesondere eines Ultraschallwandlers in einer oder mehreren der oben dargestellten Ausgestaltungen. Dabei wird mindestens ein Wandlerkern bereitgestellt, der mindestens ein akustisch-elektrisches Wandlerelement umfasst. Weiterhin wird mindestens ein Entkopplungselement bereitgestellt, welches eingerichtet ist, um eine Körperschall-Kopplung zwischen dem Wandlerkern und einem Gehäuse, beispielsweise einem Gehäuse des Ultraschallwandlers selbst oder einem weiteren Gehäuse, in welches der Ultraschallwandler eingebettet ist, zumindest zu vermindern. Zur Herstellung des Entkopplungselements wird mindestens ein poröses Kunststoffmaterial verwendet, insbesondere ein geschäumtes Kunststoffmaterial, wobei das poröse Kunststoffmaterial mindestens einen Duroplasten und/oder mindestens einen Thermoplasten umfasst.
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Zur Herstellung des Entkopplungselements kann insbesondere mindestens ein Grundwerkstoff bereitgestellt werden, in welchem durch eine chemisches Schäumen und/oder ein physikalisches Schäumen und/oder mechanisches Schäumen Gasblasen erzeugt werden. Unter einem chemischen Schäumen wird dabei allgemein ein Schäumen verstanden, bei welchem die Schaumbildung durch eine chemische Reaktion hervorgerufen wird. Unter einem physikalischen Schäumen wird ein Schäumen verstanden, bei welchem Phasenübergänge ausgenutzt werden, beispielsweise gezielte Phasenübergänge von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand, um Gasblasen zu erzeugen. Unter einem mechanischen Schäumen soll allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren verstanden werden, bei welchem dem Grundwerkstoff unmittelbar ein oder mehrere Gase beigemischt werden, wodurch der Grundwerkstoff aufgeschäumt wird. Zusätzlich zu diesen durch eine oder mehrere der genannten Arten der Schäumung erzeugten Hohlräume können in jedem Fall optional noch andere Arten von Hohlräumen in dem Entkopplungselement vorhanden sein, beispielsweise in Form der oben beschriebenen Kunststoffhohlkörper.
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Beispielsweise kann ein Grundwerkstoff bereitgestellt werden, indem mittels mindestens einer chemischen Reaktion Gasblasen erzeugt werden. Beispielsweise können Zwei-Komponenten-Mischungen verwendet werden, welche gemeinsam eine chemische Reaktion durchführen, bei welcher Gase freigesetzt werden. Auch eine Mischung mit mehr als zwei Komponenten ist möglich. Beispiele derartiger Mischungen mit mindestens zwei Komponenten sind Epoxidharz-Mischungen, welche zur Herstellung von Expoxyschäumen verwendet werden. Ausführungsbeispiele werden unten näher genannt.
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Unter einem Grundwerkstoff ist dabei grundsätzlich ein beliebiger Werkstoff zu verstehen, welcher, in Alleinstellung oder in Kombination mit anderen Werkstoffen, das Entkopplungselement bildet. Beispielsweise kann es sich dabei um einen oder mehrere Vorstoffe des Entkopplungselements handeln, aus welchen das poröse Kunststoffmaterial mit dem mindestens einen Duroplasten und/oder dem mindestens einen Thermoplasten gebildet wird.
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Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen chemischen Schäumungsverfahren kann ein physikalisches Schäumungsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann dabei der Grundstoff mindestens eine Schäumungskomponente umfassen. Der Grundwerkstoff wird dabei expandiert, wobei die Schäumungskomponente Gasblasen bildet. Insbesondere kann die Schäumungskomponente ein Gas in einem überkritischen Zustand umfassen. Bei einer Expansion geht dieses Gas, welches im überkritischen Zustand im flüssigen Zustand vorliegt, wieder in seinen unter Normalbedingungen vorliegenden gasförmigen Zustand über. Insbesondere können eines oder mehrere der folgenden Gase verwendet werden: Umgebungsluft; Stickstoff; Kohlendioxid; Argon. Wie oben beschrieben, kann, alternativ oder zusätzlich weiterhin ein mechanisches Schäumungsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung eines oder mehrerer der genannten Gase.
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Das chemische Schäumen kann ganz oder teilweise während und/oder nach einem Einbringen des Entkopplungselements in den Ultraschallwandler erfolgen. Beispielsweise kann das chemische und/oder physikalische und/oder mechanische Schäumen während und/oder nach einem Einspritzendes mindestens einen Grundwerkstoffs in einen Zwischenraum zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein Einbringen eines bereits geschäumten Entkopplungselements erfolgen, wobei beispielsweise die Schäumung und/oder die Formgebung separat erfolgen kann, so dass das Formteil, welches eingebracht wird, bereits vorgeformt und vorgeschäumt ist. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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Wie oben ausgeführt, besteht eine weitere, alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Schäumungsverfahren einsetzbare Möglichkeit der Herstellung des Entkopplungselements in der Verwendung von Hohlkörpern, die die Porosität des Kunststoffmaterials oder zumindest einen Teil dieser Porosität bereitstellen können. So kann beispielsweise wiederum zur Herstellung des Entkopplungselements mindestens ein Grundwerkstoff bereitgestellt werden, beispielsweise gemäß der oben beschriebenen Art. Beispielsweise kann es sich auch um denselben Grundwerkstoff handeln, der auch bei einem oder mehreren der Schäumungsverfahren verwendet wird, oder um eine andere Art von Grundwerkstoff, aus welchem später das poröse Kunststoffmaterial entsteht. In diesen Grundwerkstoff können, wie oben dargestellt, Hohlkörper, insbesondere Kunststoffhohlkörper, eingemischt werden. Beispielsweise lassen sich flexible Hohlkörper einsetzen. Insbesondere lassen sich Kunststoffhohlkugeln verwenden. Die Hohlkörper können beispielsweise Hohlräume mit einem mittleren Äquivalentdurchmesser von 1 Mikrometer bis 200 Mikrometern, vorzugsweise von 5 Mikrometern bis 80 Mikrometern und besonders bevorzugt 10 Mikrometern bis 80 Mikrometern aufweisen. Diese Dimensionen sind allgemein auch für auf andere Weise erzeugte Hohlräume in dem Entkopplungselement bevorzugt.
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Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Verfahren in einer oder mehreren der oben dargestellten Ausführungsformen weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere lassen sich parasitäre Ultraschallpfade innerhalb der Materialien der Ultraschallwandler und/oder des Gehäuses, beispielsweise eines Sensorgehäuses, insbesondere Körperschall, welche ansonsten das Messsignal verfälschen würden, erheblich reduzieren. Dadurch kann verhindert werden, dass der ermittelte Wert für die zu messende Strömungsrate die geforderten Toleranzgrenzen überschreitet. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung eine formstabile Aufhängung des Wandlerkerns. Gleichzeitig kann eine belastungsfreie und damit dauerhaft mediendichte Dichtungsschicht realisiert werden.
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Für die Herstellung des Ultraschallwandlers, insbesondere des Entkopplungselements, kann beispielsweise ein Gieß- und/oder Spritzprozess verwendet werden. Trotz der in diesem Fall auftretenden eher flächigen anstatt punktförmigen oder linienförmigen Anbindung an den Wandlerkern kann die Entkopplung durch die Materialeigenschaften des Entkopplungselements realisiert werden. Auf diese Weise lässt sich, beispielsweise durch eine Streuung an den Poren des porösen Kunststoffmaterials, eine geeignete Dämpfung erzielen, beispielsweise durch eine Impedanzfehlanpassung zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse. Eine solche Fehlanpassung kann noch weiter unterstützt werden, indem die entlang der Körperschallausbeitungsrichtungen im Wesentlichen wirksamen Schichtdicken des Entkopplungselements so gewählt werden, dass Mehrfachreflexionen an den entsprechenden das Entkopplungselement begrenzenden Grenzflächen weitgehend destruktiv miteinander interferieren. Im Gegensatz zu Silikonen weisen die vorgeschlagenen porösen Duroplaste und/oder Thermoplaste hingegen einerseits ein relativ hohes Elastizitätsmodul auf sowie andererseits eine hohe materialeigene Dämpfung. In den Hohlräumen kann beispielsweise eine adiabatische Kompression zu einer verbesserten Dämpfung führen.
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Weiterhin kann durch die Entkopplung mittels der porösen Kunststoffmaterialien mit porösen Thermoplasten und/oder Duroplasten der oben beschriebene Nachteil einer nachgiebigen Entkopplung behoben werden. Dadurch kann beispielsweise eine Frontfläche des Ultraschallwandlers auch bei thermischen Belastungen und/oder Druckbelastungen im Wesentlichen formstabil ausgestaltet werden Beispielsweise kann diese Frontfläche einen Rand des Gehäuses, beispielsweise einen Hülsenrand, sowie eine Stirnfläche des Entkopplungselements und eine Abstrahlfläche des Wandlerkerns umfassen. Diese Frontfläche kann, wie oben dargestellt, vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgestaltet sein. Auf der Frontfläche kann auch optional ein zusätzliches Abdichtelement aufgebracht werden, beispielsweise eine Abdichtungsbeschichtung und/oder eine Abdichtfolie. Beispielsweise kann eine Abdichtungsbeschichtung aus Parylene verwendet werden. Die Abdichtfolie kann insbesondere eine Kunststofffolie umfassen. Beispielsweise können Kunststofffolien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern, insbesondere weniger als 50 Mikrometern und besonders bevorzugt von 25 Mikrometern oder weniger eingesetzt werden. Das Abdichtelement kann ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material, insbesondere ein oder mehrere der folgenden Werkstoffe umfassen: ein Polyimid, insbesondere Kapton®; ein fluoriertes Polymer, insbesondere ein Polytetraflourethylen (PTFE), Teflon®; ein Polyvinylfluorid (PVF); ein Polyetheretherketon (PEEK); ein Polymethylmethacrylat (PMMA); ein Polyamidimid (PAI); ein Flüssigkristall-Polymer (Liquid Crystal Polymer, LCP); ein Polyethersulfon (PES); ein Polysulfon (PSU); ein Polyethylennaphtalat (PEN); ein Polyphenylensulfid (PPS); ein fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP); eine metallische, kunststoffartige oder keramische Beschichtung; eine Klebstoffschicht. Auch Kombinationen der genannten Werkstoffe und/oder anderer Werkstoffe sind möglich. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Materialien, andere Schichtdicken oder auch Laminate eingesetzt werden.
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Die Befestigung dieses Abdichtelements und/oder das Abdichtelement selbst werden dann unter den genannten Bedingungen durch Verwendung des vorzugsweise im Wesentlichen formstabilen Entkopplungselements deutlich weniger belastet als bei herkömmlichen Ultraschallwandlern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in Schnittdarstellung.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 in einer Schnittdarstellung von der Seite gezeigt. Der Ultraschallwandler 110 ist dabei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel exemplarisch rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse 112 ausgestaltet, wobei jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich sind. Der Ultraschallwandler 110 dient zum Einsatz in einem fluiden Medium, beispielsweise Luft, welches in 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 114 bezeichnet ist. Eine Frontfläche 116 des Ultraschallwandlers 110 weist dabei dem fluiden Medium 114 zu. Diese Frontfläche 116 kann beispielsweise durch eine Abdichtfolie 118 versiegelt sein.
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Der Ultraschallwandler 110 umfasst ein Gehäuse 120, welches beispielsweise als Hülse ausgestaltet sein kann. Das Gehäuse ist zum fluiden Medium 114 bzw. an der Frontfläche 116 hin geöffnet und weist einen dem fluiden Medium 114 zuweisenden Rand 122 auf. Die Abdichtfolie 118 kann beispielsweise mit diesem Rand 122 stoffschlüssig und/oder auf andere Weise verbunden sein, beispielsweise durch ein Verkleben.
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In einem Innenraum 124 des Gehäuses 120 ist ein Wandlerkern 126 aufgenommen. Dieser Wandlerkern 126 umfasst zumindest ein akustisch-elektrisches Wandlerelement 128. Weiterhin umfasst der Wandlerkern 126 optional in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Anpasskörper 130, um eine Einkopplung von Ultraschallwellen des akustisch-elektrischen Wandlerelements 128 in das fluide Medium und/oder eine Auskopplung von Ultraschallwellen aus dem fluiden Medium 114 zu verbessern. Der Anpasskörper 130 kann beispielsweise gemäß den aus dem oben zitierten Stand der Technik bekannten Anpasskörpern ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Anpasskörper 130 eine oder mehrere λ/4-Anpassschichten umfassen.
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Weiterhin kann optional in dem Wandlerkern 126 mindestens ein Ausgleichselement 132 aufgenommen sein, beispielsweise um thermomechanische Spannungen zu vermindern. Beispiele eines derartigen Ausgleichselements 132 werden unten noch näher erläutert. Allgemein wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen des akustisch-elektrischen Wandlerelements 128, dieses auch einfach als „Piezo” oder „Piezokeramik” bezeichnet. Der Anpasskörper wird, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen dieses Elements im Folgenden auch als Anpassschicht bezeichnet, und das Ausgleichselement 132 wird auch als CTE-Anpassung oder CTE-Ausgleichsschicht bezeichnet (CTE: „coefficient of thermal expansion”, thermischer Expansionskoeffizient). Das Ausgleichselement 132 kann dabei als einfache Schicht zwischen dem akustisch/elektrischen Wandlerelement 128 und dem Anpasskörper 130 ausgestaltet sein, kann jedoch optional auch eine komplexere Geometrie aufweisen.
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Der Wandlerkern 126 weist eine dem fluiden Medium 114 zuweisende Abstrahlfläche 134 auf. Diese Abstrahlfläche 134 verbleibt vorzugsweise im Wesentlichen unbedeckt und kann, wie in 1 dargestellt, ganz oder teilweise durch die Abdichtfolie 118 und/oder eine anderes Abdichtelement, beispielsweise eine Beschichtung, abgedeckt sein. Die Abstrahlfläche 134 ist vorzugsweise in einer Ebene mit dem Rand 122 des Gehäuses 120 angeordnet.
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Zwischen dem Wandlerkern 126 und dem Gehäuse 120 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Zwischenraum 136 vorgesehen. Dieser Zwischenraum 136 ist beispielsweise ringförmig ausgestaltet. Der Zwischenraum 136 ist mit einem Entkopplungselement 138 ausgefüllt, welches ein poröses Kunststoffmaterial mit mindestens einem Duroplasten und/oder mindestens einem Thermoplasten umfasst. Ausführungsbeispiele werden unten noch näher erläutert. Das Entkopplungselement 138 weist vorzugsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine dem fluiden Medium 114 zuweisende Stirnfläche 140 auf, welche vorzugsweise eben ausgestaltet ist und vorzugsweise in einer Ebene mit dem Rand 122 und/oder der Abstrahlfläche 134 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel können, wie oben diskutiert, die Stirnfläche 140, die Abstrahlfläche 134 und der Rand 122 optional mit der Abdichtfolie 118 abgedichtet sein.
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Weiterhin weist der Ultraschallwandler 110 optional in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Dämpfungsverguss 142 auf, welcher beispielsweise rückseitig auf oder an dem Wandlerkern 126 aufgebracht ist. Dieser Dämpfungsverguss 142, welcher, alternativ oder zusätzlich zu einem Gießverfahren, auch durch beliebige andere Verfahren aufgebracht werden kann, soll das Abklingverhalten des akustisch-elektrischen Wandlerelements 128 beschleunigen. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Silikonverguss oder eine andere Art eines weichen Materials handeln, welches beispielsweise den verbleibenden Zwischenraum 136 ganz oder teilweise ausfüllen kann.
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Weiterhin ist in 1 symbolisch eine elektrische Zuleitung 144 für das akustisch-elektrische Wandlerelement 128 gezeigt. In der Regel umfasst das akustisch-elektrische Wandlerelement 128 eine, zwei oder mehrere derartiger elektrischer Zuleitungen 144. Die Führung dieser elektrischen Zuleitung 144 ist dabei lediglich exemplarisch gezeigt, welche hier beispielsweise durch das Ausgleichselement 132 und das Entkopplungselement 138 erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann die Führung dieser elektrischen Zuleitung 144 jedoch auch ganz oder teilweise beispielsweise durch den Dämpfungsverguss 142 erfolgen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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In dem Ultraschallwandler 110 gemäß 1 ist das akustisch-elektrische Wandlerelement 128 mit der Impedanzanpassschicht 130 verbunden, beispielsweise über das Ausgleichselement 132. Im einfachsten Fall kann diese Verbindung beispielsweise eine Klebstoffschicht sein, welche hart genug ist und ein hohes Elastizitätsmodul (E-Modul) aufweist, um eine ausreichende akustische Kopplung zu erzielen. Hierfür kommen insbesondere Epoxy-Klebstoffe infrage.
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Da Piezokeramiken empfindlich auf Zug und Scherspannungen reagieren, die beispielsweise durch die thermische Ausdehnung der Anpassschicht 130 entstehen können, können prinzipiell auch flexibilisierte Epoxy-Klebstoffe verwendet werden, wobei Kenngrößen wie zum Beispiel der Glasübergangspunkt (Tg), hoch genug sein müssen, dass im gesamten geforderten Temperaturbereich eine ausreichende akustische Kopplung vorliegt. Beispielsweise kann der Ultraschallwandler 110 in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 110°C oder sogar, zumindest mit eingeschränkter Funktionalität, bis 140°C eingesetzt werden. Dementsprechend kann das Material des Ausgleichselements 132 beispielsweise eine Tg von über 150°C aufweisen. Auch für übrige Materialien, wie beispielsweise das Entkopplungselement 130, ist eine Materialwahl mit einer Glasübergangstemperatur von mehr als 150°C von Vorteil.
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Das Material der Anpassschicht 130 kann auch direkt mit dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 128 verbunden werden, beispielsweise indem zunächst der Piezo des akustisch-elektrischen Wandlerelements 128 mit einem noch nicht ausgehärteten Material des Anpasskörpers 130 in Verbindung gebracht wird und dieses dann ausgehärtet, beispielsweise ausgenetzt, wird.
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Wird dagegen eine separate Klebeschicht für das Ausgleichselement 132 verwendet, so kann diese auch relativ dick ausgeführt werden. In diesem Fall kann beispielsweise bewusst auf eine Flexibilität dieses Materials verzichtet werden und stattdessen ein thermischer Expansionskoeffizient CTE (coefficient of thermal expansion) zwischen die thermischen Expansionskoeffizienten des Piezos des akustisch-elektrischen Wandlerelements 128 und des Anpasskörpers 130 gelegt werden oder idealerweise möglichst nahe an den Wert des Piezos. Über die Dicke dieser CTE-Ausgleichsschicht können sich dann Verspannungen abbauen.
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Der Piezo, die CTE-Ausgleichsschicht und die Anpassschicht 130 können als separate Teile miteinander verklebt werden, oder die CTE-Ausgleichsschicht und/oder die Anpassschicht 130 können auch alternativ und ohne separaten Klebstoff miteinander oder mit dem Piezo in Kontakt gebracht werden und dann ausgehärtet werden. Eine Folie kann als verlorene Form für das Entkopplungsmaterial des Entkopplungselements 138 verwendet werden und dann optional auch als Abdichtungsschicht, alternativ oder zusätzlich zu der Abdichtfolie 118, am Ultraschallwandler 110 verbleiben.
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Die Funktionen der Impedanzanpassung und des Ausgleichs der thermischem Expansionskoeffizienten können auch innerhalb eines einzigen Bauteils realisiert werden. So können beispielsweise der Anpasskörper 130 und das Ausgleichselement 132 in diesem oder in anderen Ausführungsbeispielen ganz oder teilweise zusammengefasst werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein einziges Teil verwendet werden, welches bezüglich CTE und/oder Flexibilität und/oder akustischer Impedanz entsprechend ausgelegt sein kann, wobei die entsprechenden Materialeigenschaften sich auch zwischen Piezokeramik und Abstrahlbereich sprunghaft oder graduell ändern können. Beispielsweise können in ein Epoxy-Basismaterial Füllstoffe, wie beispielsweise Glashohlkugeln und/oder Keramik-Partikel, eingemischt werden. Glashohlkugeln können im Sinne einer Dichtereduktion zur Impedanzanpassung verwendet werden und können tendenziell eher in Richtung des Abstrahlbereichs aufschwimmen, wohingegen Keramik-Partikel sich als CTE-Anpassung in Richtung des Piezos 128 sedimentieren können. Auf diese Weise können die gewünschten Materialeigenschaften erzielt werden.
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Um das akustisch-elektrische Wandlerelement 128 nach dem Sendevorgang möglichst schnell zur Ruhe zu bringen, ist dieses in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Dämpfungsverguss 142, welcher grundsätzlich ein beliebiges Dämpfungsmaterial (zum Beispiel Silikon oder gefülltes Silikon) umfassen kann, in Kontakt. Wenn primär beispielsweise eine Planarresonanz eines Piezos ausgenutzt wird, dann wird dieser vorteilhafterweise auch teilweise oder ganz an seinem Umfang mit dem Material des Dämpfungsvergusses 142 verbunden, um möglichst viel Schallenergie in die Dämpfung auszukoppeln. Eine noch bessere Dämpfung lässt sich erzielen, wenn auch das Ausgleichselement 132 in Kontakt mit dem Material des Dämpfungsvergusses 142 steht.
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Alternativ kann zur Einbringung des Entkopplungselements 138 jedoch auch ein anderes Verfahren verwendet werden, beispielsweise ein Gießverfahren und/oder ein Spritzverfahren. Beispielsweise kann ein Stempelwerkzeug verwendet werden, bei welchem ein Stempel in den Innenraum 124 des Gehäuses 120 von der Rückseite her eingefahren wird, beispielsweise nach Einbringung des Wandlerkerns 126. Dieses Stempelwerkzeug kann eingesetzt werden, um den Raum für den Dämpfungsverguss 142 und/oder auch Teile des Wandlerkerns 126 oder den gesamten Wandlerkern 126 freizuhalten, während das Material des Entkopplungselements 138 eingebracht wird.
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Wie oben dargestellt, wird für das Entkopplungselement 138 ein poröses Kunststoffmaterial mit mindestens einem Duroplasten und/oder mindestens einem Thermoplasten verwendet. Dabei ist unter einem porösen Werkstoff grundsätzlich, wie oben ausgeführt, ein beliebiger Werkstoff mit Poren bzw. Hohlräumen zu verstehen. Beispiele derartiger poröser Werkstoffe sind geschäumte Werkstoffe, insbesondere poröse oder geschäumte Thermoplast- oder Duroplast-Werkstoffe.
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Zum Erstellen derartiger Werkstoffe, beispielsweise zum Herstellen des Entkopplungselements 138 in-situ und/oder als vorgeformtes Teil bieten sich mehrere alternative Verfahren an. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Herstellung des Entkopplungselements 138 können als Basiskomponenten Grundwerkstoffe verwendet werden, bei denen eine chemische Reaktion Gasblasen erzeugt. Beispiele derartiger Grundwerkstoffe sind die Epoxy-Systeme der Bezeichnung PB 170, PB 250, PB 400 oder PB 600 der Firma Composite Solutions AG in 3018 Bern, Schweiz. Derartige Werkstoffe werden üblicherweise als Schäume für den Boots- und/oder Flugzeugbau eingesetzt. Anders als bei diesen typischen Hauptanwendungsgebieten werden im vorliegenden Fall vorzugsweise die Basiskomponenten, die Mischungsverhältnisse und Aushärtetemperaturprofile derart gewählt, dass sich ein möglichst hoher Glasübergangspunkt ergibt. Duroplastische Materialien werden also allgemein vorzugsweise durch ein chemisches Schaumverfahren aufgeschäumt. Auch physikalische und/oder mechanische Verfahren sind jedoch alternativ oder zusätzlich grundsätzlich möglich. Thermoplastische Materialien werden hingegen vorzugsweise durch ein physikalisches Schaumverfahren aufgeschäumt, wobei jedoch auch hier alternativ andere Schäumverfahren eingesetzt werden können, beispielsweise mechanische Schäumverfahren. Optional kann zusätzlich eine Beimischung von Hohlkörpern erfolgen, beispielsweise eine Beimischung von flexiblen Kunststoffhohlkörpern, insbesondere Kunststoffhohlkugeln.
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Als weiteres Beispiel zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffmaterials können poröse Thermoplaste genannt werden, welche beispielsweise nach dem sogenannten MuCell-Verfahren hergestellt werden können. Dabei wird ein Gas, beispielsweise aus der Umgebungsluft, beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid, in einen überkritischen Zustand versetzt. Dieses Gas im überkritischen Zustand (welches dann naturgemäß nicht mehr gasförmig ist, sondern welches lediglich unter Normalbedingungen in gasförmigem Zustand vorliegt) kann dann als Schaummittel verwendet werden. Das überkritische Fluid lässt sich ebenso genau dosieren wie eine herkömmliche Flüssigkeit, lässt sich gleichmäßig verteilen und beispielsweise in einer Kunststoff-Schmelze lösen. Durch den Druckabfall beim Einspritzen in ein Werkzeug entstehen dann winzige Gasbläschen, die in der Abkühlphase weiter wachsen und dadurch die Schwindung des Teils kompensieren. Dadurch entstehen extrem feinzellige Schaumzellen mit Durchmessern vorwiegend zwischen 5 und 50 μm, wobei sich der Porositätsgrad typischerweise bis 30% oder sogar bis 40% oder darüber hinaus einstellen lässt. In dieser Weise hergestellte Entkopplungswerkstoffe sind im Vergleich zu beispielsweise Silikonen relativ formstabil und inkompressibel. Im Gegensatz zum Anpasskörper 130 werden vorzugsweise also die Hohlräume in dem Entkopplungselement nicht durch Glashohlkugeln gebildet, sondern durch chemisches oder physikalisches Schäumen. Dadurch lässt sich eine wesentlich Ultraschall-Dämpfung und Streuung erzeugen als in dem Anpasskörper 130, innerhalb dessen dieser Effekt gerade unerwünscht ist.
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Auch andere Verfahren lassen sich grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzen. Als weiteres, alternativ oder zusätzlich einsetzbares Beispiel zur Herstellung eines geschäumten Kunststoffmaterials könnten Press- und/oder Sinterverfahren eingesetzt werden.
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Alternativ zu einer Schäumung und Aushärtung des Materials des Entkopplungselements 130 direkt im Ultraschallwandler 110 bzw. dessen Gehäuses 120 oder an bzw. in einer Baustufe des Ultraschallwandlers 110 kann das Entkopplungselement 138 auch als separates Bauelement vorgefertigt werden und dann mit anderen Einzelteilen und/oder Baugruppen des Ultraschallwandlers 110 montiert werden, beispielsweise durch Verkleben.
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Bei Druckbelastung von außen und/oder bei thermischer Ausdehnung oder Kontraktion des Inneren des Ultraschallwandlers 110, beispielsweise des Wandlerkerns 126, ermöglicht das, vorzugsweise formstabile, Entkopplungselement 138 eine Kraft-Weiterleitung bei nur geringer Beweglichkeit und stabilisiert so die Lage des Wandlerkerns 126. Gleichzeitig kann es dadurch auch ermöglicht werden, eine dehnungsempfindliche oder scherempfindliche Abdichtfolie 118 und/oder Beschichtung an der Frontfläche 116 anzubringen. Das Material des Entkopplungselements 138 verhält sich damit vorzugsweise ähnlich wie ein Tiefpass, welcher aufgrund seiner Formstabilität bei statischer oder relativ langsam variierender Belastung tiefe Frequenzen weiterleitet und höhere Frequenzen blockiert, was zu einer Ultraschallentkopplung bzw. Ultraschall-Dämpfung führt.
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Das Gehäuse 120 des Ultraschallwandlers 110, welches beispielsweise ganz oder teilweise als Hülse ausgestaltet sein kann, stellt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich eine mögliche Ausgestaltung dar. So kann dieses Gehäuse 120 auch gleichzeitig Teilbereich eines größeren Sensorgehäuses sein, welches beispielsweise auch weitere Komponenten, wie zum Beispiel eine Steuerelektronik und/oder eine Messelektronik und/oder eine Auswertungselektronik und/oder auch einen zweiten Ultraschallwandler 110 aufnehmen kann. Mehrere Ultraschallwandler 110 können sich dementsprechend auch ein gemeinsames Gehäuse 120 oder zumindest gemeinsame Gehäusekomponenten diese Gehäuses 120 teilen.
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Die Abdichtfolie 118 kann grundsätzlich aus einem beliebigen Material hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Metallen und/oder Kunststoffen. Beispielsweise lassen sich eines oder mehrere der folgenden Materialien einsetzen: ein Polyimid, insbesondere Kapton®; ein Polyetheretherketon (PEEK); ein Polyvinylfluorid (PVF), insbesondere Tedlar®; ein Polytetrafluorethen (PTFE), insbesondere Teflon®. Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch andere Materialien einsetzen, insbesondere andere Polymere einsetzen. Die Dicke der Abdichtfolie 118 sollte vorzugsweise nicht wesentlich über 100 μm liegen, um einerseits eine Ultraschalleinkopplung in das fluide Medium 114, beispielsweise die Luft, nicht zu sehr zu behindern und um andererseits den Körperschallübertrag über die Abdichtfolie 118 am Werkstoff des Entkopplungselements 138 vorbei nicht allzu sehr zu erhöhen. Besonders vorteilhaft sind Dicken von 25 μm oder weniger. Alternativ oder zusätzlich zu einem Abdichtelement in Form einer Abdichtfolie 118 können auch andere Arten von Abdichtelementen eingesetzt werden, beispielsweise eine Beschichtung. Als Beispiel derartiger Beschichtungen sind Parylene, Teflon, Epoxylacke oder ähnliche Materialien zu nennen. Derartige Beschichtungen können beispielsweise derart hergestellt werden, dass diese sich erst nach dem Aufbringen auf die Frontfläche 116 zu einer zusammenhängenden Schicht zusammenfügen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010500 A1 [0001]
- DE 4230773 C1 [0001]
- EP 0766071 A1 [0001]
- DE 102008055126 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Hans-Georg Elias, Macromelecules, Vol. 3: Physical Structures and Properties, 2008, Seite 2 [0008]
