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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Ultraschallwandlern zum Einsatz in fluiden Medien bekannt. Unter einem Ultraschallwandler wird dabei allgemein ein Element verstanden, welches in der Lage ist, Ultraschallsignale in das fluide Medium abzugeben und/oder Ultraschallsignale aus dem fluiden Medium aufzunehmen und beispielsweise in elektrische Signale umzuwandeln. Derartige Ultraschallwandler werden beispielsweise in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik und/oder im Automobilbereich eingesetzt, beispielsweise in Strömungsmessern (Ultrasonic Flow Meter, Ultraschallströmungsmesser, UFM), insbesondere im Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt von Brennkraftmaschinen. Beispiele derartiger Ultraschallwandler sind aus
DE 10 2007 010 500 A1 ,
DE 10 2007 037 088 A1 oder aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2008 055 126.0 bekannt. Die dort beschriebenen Ultraschallwandler können auch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und erfindungsgemäß modifiziert werden.
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Ultraschallwandler weisen in der Regel mindestens ein elektrisch-akustisches Element auf, beispielsweise ein piezoelektrisches Wandlerelement auf. insbesondere bei der Strömungsmessung in Luft oder anderen Gasen tritt jedoch das Problem auf, dass ein hoher akustischer Impedanzunterschied zwischen dem Material des elektrisch-akustischen Wandlerelements und der Luft zu verzeichnen ist, welcher zu hohen Kopplungsverlusten bei der Kopplung von Ultraschallsignalen zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem Gas führt. Dementsprechend schwach können die Signalhübe sein, wenn beispielsweise aus den Wandlersignalen bei einer Strömungsmessung Luftmengensignale innerhalb einer Systemsteuerung eines Verbrennungsmotors abgeleitet werden. Bekannt sind daher Ultraschallwandler mit schallabstrahlenden Resonanz- oder Anpasskörpern, wie beispielsweise einer Metallmembran oder einer λ/4-Impedanzanpassschicht. Derartige Impedanzanpassschichten, welche grundsätzlich geometrisch beliebig gestaltet sein können, sind beispielsweise aus den oben genannten Druckschriften des Standes der Technik bekannt.
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Bei bekannten Ultraschallwandlern wird üblicherweise ein Gehäuse verwendet, in welchem ein Wandlerkern aufgenommen ist. Auf der dem fluiden Medium zuweisenden Seite weist dieses Gehäuse eine Öffnung auf, innerhalb derer die Abstrahlfläche des Wandlerkerns, über welche Ultraschallsignale abgegeben oder aufgenommen werden, angeordnet ist. Um den Innenraum des Gehäuses mediendicht und/oder druckdicht gegenüber dem fluiden Medium zu schließen, ist es aus
DE 10 2008 055 126.0 bekannt, diese Öffnung ganz oder teilweise mit einer Abdichtfolie zu überspannen. Dabei tritt jedoch die technische Herausforderung auf, dass an den Rändern der Abdichtfolie nach wie vor Medien in den Innenraum des Gehäuses eindringen können, was sich beispielsweise bei Strömungsmessungen in Verbrennungsmotoren nachteilig bemerkbar machen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden daher ein Ultraschallwandler und eine Sensoranordnung zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Ultraschallwandler und Sensoranordnungen zumindest weitgehend vermeiden. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas, beispielsweise Luft oder ein Abgas handeln. Der Ultraschallwandler und die Sensoranordnung können dementsprechend insbesondere in Ultraschallströmungsmessern (UFMs) zum Einsatz kommen, beispielsweise in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren. Alternative Anwendungsgebiete sind Sensoren für Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise in der Verfahrenstechnik, insbesondere für Prozesssteuerungen, als Abstandssensoren, als Füllstandssensoren oder als Strömungssensoren, beispielsweise in der Chemie und/oder Pharmaindustrie. Andere Einsatzgebiete sind die Medizintechnik, beispielsweise zur Atemgasüberwachung, oder die Energietechnik, beispielsweise als Wärmezähler.
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Der vorgeschlagene Ultraschallwandler umfasst mindestens ein Gehäuse mit mindestens einem Innenraum. Unter einem Gehäuse ist dabei ein zumindest teilweise geschlossenes Element zu verstehen, welches die äußere Form des Ultraschallwandlers selbst definieren kann und welches den Ultraschallwandler zumindest teilweise gegenüber mechanischen Belastungen schützen kann. Das Gehäuse kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, ganz oder teilweise aus einem Kunststoffwerkstoff, beispielsweise einem thermoplastischen Werkstoff, und/oder aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
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Unter einem Innenraum, wobei auch mehrere Innenräume vorhanden sein können, wird allgemein ein zumindest teilweise abgeschlossener und zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordneter Raum verstanden. Dieser Innenraum kann beispielsweise, wie unten noch erläutert wird, zumindest näherungsweise zylindrisch ausgestaltet sein.
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Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler mindestens einen in dem Innenraum aufgenommenen Wandlerkern mit mindestens einem elektrisch-akustischen Wandlerelement. Unter einem elektrisch-akustischen Wandlerelement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um elektrische Signale in akustische Signale, insbesondere in Ultraschallsignale umzuwandeln oder umgekehrt. Beispielsweise kann dieses elektrisch-akustische Wandlerelement mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement umfassen. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen des elektrisch-akustischen Wandlerelements wird daher im Folgenden der Begriff „Piezo” oder der Begriff „piezoelektrisches Wandlerelement” oder der Begriff „Piezokeramik” auch als Synonym für das elektrisch-akustische Wandlerelement verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann das elektrisch-akustische Wandlerelement jedoch auch andere Elemente der genannten Funktion umfassen.
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Neben dem mindestens einen elektrisch-akustischen Wandlerelement kann der Wandlerkern weitere Elemente umfassen. Insbesondere kann der Wandlerkern, wie unten noch näher ausgeführt wird, mindestens einen Anpasskörper umfassen, welcher eingerichtet ist, um eine akustische Kopplung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement und dem fluiden Medium zu verbessern. Insbesondere kann es sich dabei um einen Impedanzanpasskörper handeln. Optimalerweise weist dieser Impedanzanpasskörper eine akustische Impedanz auf, welche zwischen der akustischen Impedanz des elektrisch-akustischen Wandlerelements und der akustischen Impedanz des fluiden Mediums liegt, idealerweise nahe dem geometrischen Mittel dieser akustischen Impedanzen. Bei realen Ultraschallwandlern und insbesondere bei gasförmigen Medien kommen auch Anpasskörper mit anderen, meist höheren akustische Impedanzen zum Einsatz. Der Anpasskörper kann auch mehrere Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen umfassen und/oder ein Material mit einem akustischen Impedanzgradienten. Für mögliche Ausgestaltungen eines derartigen Anpasskörpers, welcher beispielsweise als Anpassschicht ausgestaltet sein kann, kann auf die oben bereits zitierten Druckschriften
DE 10 2007 010 500 A1 ,
DE 10 2007 037 088 A1 und
DE 10 2008 055 126.0 verwiesen werden. Die Dort verwendeten Anpasskörper können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann der Wandlerkern weitere Elemente umfassen. Beispielsweise kann zwischen dem optionalen Anpasskörper und dem elektrisch-akustischen Wandlerelement mindestens ein Ausgleichskörper, insbesondere mindestens eine Ausgleichsschicht, vorgesehen sein. Ein derartiger Ausgleichskörper kann beispielsweise einen Aufbau von thermomechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des elektrisch-akustischen Wandlerelements und des Anpasskörpers verhindern, beispielsweise indem ein thermischer Ausdehnungskoeffizient für diesen Ausgleichskörper gewählt wird, welcher zwischen demjenigen des elektrisch-akustischen Wandlerelements und demjenigen des Anpasskörpers liegt. Beispielsweise kann dieser Ausgleichskörper mindestens eine Klebeschicht umfassen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Der Wandlerkern kann insbesondere mindestens eine Abstrahlfläche aufweisen. Unter einer Abstrahlfläche wird dabei grundsätzlich eine beliebige Fläche verstanden, über welche akustische Signale von dem Wandlerkern an das fluide Medium abgegeben werden können, und/oder über welche akustische Signale aus dem fluiden Medium von dem Wandlerkern aufgenommen werden können. Diese mindestens eine Abstrahlfläche kann dem fluiden Medium zuweisen und kann beispielsweise innerhalb einer Öffnung des Gehäuses angeordnet sein. So kann das Gehäuse beispielsweise mindestens eine dem fluiden Medium zuweisende Öffnung aufweisen, beispielsweise eine Öffnung, welche von einem Gehäuserand des Gehäuses vollständig oder teilweise umschlossen wird. Innerhalb dieser Öffnung kann die Abstrahlfläche angeordnet sein, wobei diese vorzugsweise in derselben Ebene wie der Gehäuserand angeordnet ist. Auch eine andere Ausgestaltung, beispielsweise eine Anordnung nicht in derselben Ebene wie der Gehäuserand des Gehäuses, ist möglich.
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Die mindestens eine Öffnung des Gehäuses, welche beispielsweise kreisförmig oder polygonal ausgestaltet sein kann, wird zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch mindestens eine Abdichtfolie bedeckt. Unter einer Abdichtfolie ist dabei grundsätzlich ein beliebiges, folienartiges Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um Einflüsse des fluiden Mediums, wie beispielsweise Druckeinflüsse und/oder chemische Einflüsse, zumindest teilweise von dem Innenraum fernzuhalten. Unter einem folienartigen Element ist dabei ein Element zu verstehen, dessen laterale Ausdehnung seine Dicke um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100 oder einen Faktor von mindestens 1000 übersteigt. Die Abdichtfolie kann beispielsweise eine Kunststofffolie und/oder eine metallische Folie und/oder eine keramische Folie umfassen. Beispielsweise kann die Abdichtfolie ein thermoplastisches Material oder ein duroplastisches Material umfassen. Mögliche Materialien, welche einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können, sind Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyimid (insbesondere Kapton®), ein Flüssigkristallpolymer (Liquid Crystal Polymer, LCP), Fluorcarbone wie z. B. Teflon bzw. Polytetrafluorethen (PTFE) oder z. B. Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP), Polyethylennaphtalat (PEN) oder andere Kunststoffe. Auch Kombinationen der genannten Materialien und/oder anderer Materialien sind einsetzbar. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine dünne Metallfolie einsetzbar. Weiterhin sind auch Verbundmaterialien einsetzbar, beispielsweise Materialien mit mehreren Folienschichten oder ähnliches. Weiterhin kann mindestens eine solche Folienschicht als Beschichtung bestehend z. B. aus einem metallischen, keramischen oder Kunststoff-Material vorgesehen sein. Die Abdichtfolie kann ferner eine Klebstoffschicht mit umfassen, durch welche, insbesondere unabhängig vom Siegelmaterial, eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung zum Gehäuse erzielt wird.
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Insofern kann der Ultraschallwandler gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst beispielsweise analog zu dem in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nummer
DE 10 2008 055 126.0 beschriebenen Ultraschallwandler ausgestaltet sein. Im Unterschied zu dem dort gezeigten Ultraschallwandler und zur Lösung der oben aufgezeigten Dichtigkeitsproblematik wird jedoch erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Rand der Abdichtfolie durch mindestens ein Siegelmaterial zu versiegeln. Unter einem Rand der Abdichtfolie kann dabei eine Grenze der Abdichtfolie, also eine Grenze der lateralen Erstreckung der Abdichtfolie, verstanden werden. Der Rand kann jedoch auch über diese Grenze hinaus von dem mindestens einen Siegelmaterial bedeckt sein.
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Unter einem Siegelmaterial wird dabei ein grundsätzlich beliebiges Material verstanden, welches in einem verformbaren Zustand auf die Abdichtfolie aufgebracht werden kann, beispielsweise in einem flüssigen, zähflüssigen oder pastösen oder auf andere Weise verformbaren Zustand. Das Siegelmaterial kann sich damit der Form des Rands der Abdichtfolie anpassen. Insbesondere kann das Siegelmaterial auch ganz oder teilweise in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Rand der Abdichtfolie eindringen und/oder einen Spalt zwischen einem Rand der Abdichtfolie und dem Gehäuse verschließen. Unter einer Versiegelung ist dabei allgemein ein Zustand zu verstehen, bei welchem der Innenraum durch das Siegelmaterial zumindest teilweise vor Einflüssen des fluiden Mediums geschützt ist, beispielsweise vor chemischen Einflüssen und/oder Druckeinflüssen.
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Das Siegelmaterial kann insbesondere mindestens einen Klebstoff umfassen. Insbesondere kann das Siegelmaterial ein Epoxid und/oder einen heißthixotropen Klebstoff umfassen. Das Siegelmaterial kann beispielsweise zumindest teilweise raupenförmig ausgestaltet sein, insbesondere als Kleberaupe. So kann das Siegelmaterial als Kleberaupe umlaufend oder zumindest teilweise umlaufend auf den Rand der Abdichtfolie aufgebracht werden.
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Das Gehäuse kann insbesondere einen dem fluiden Medium zuweisenden, zumindest teilweise um die Öffnung umlaufenden Gehäuserand aufweisen. Die Abdichtfolie kann dann zumindest teilweise auf diesem Gehäuserand aufliegen, vorzugsweise derart, dass auch der Rand der Abdichtfolie auf dem Gehäuserand aufliegt. Unter einem Aufliegen kann dabei ein direktes oder auch ein indirektes Aufliegen verstanden werden, letzteres beispielsweise über mindestens eine zusätzliche Klebschicht und/oder mindestens eine Klebekaschierung, welche zwischen die Abdichtfolie und dem Gehäuserand eingebracht sein kann und welche eine Verbindung zwischen der Abdichtfolie und Gehäuserand herstellen kann.
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Beispielsweise kann die Abdichtfolie mit dem Gehäuserand stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein. Zusätzlich wird, wie oben beschrieben, der Rand der Abdichtfolie durch das mindestens eine Siegelmaterial versiegelt, wobei vorzugsweise ein Spalt und/oder ein Zwischenraum zwischen der Abdichtfolie und dem Gehäuserand versiegelt wird.
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Der Gehäuserand kann beispielsweise eine flache Krempe oder eine umgebogene Krempe umfassen. Die Abdichtfolie kann dabei dem Verlauf des Gehäuserands folgen und beispielsweise flach oder umgebogen ausgestaltet sein. Der Rand der Abdichtfolie kann beispielsweise im Wesentlichen gemeinsam mit dem Gehäuserand des Gehäuses abschließen, so dass der Rand der Abdichtfolie zumindest nicht wesentlich, das heißt insbesondere um weniger als 1 mm, seitlich über den Gehäuserand vorsteht. In diesem Fall kann beispielsweise das mindestens eine Siegelmaterial auf den Rand der Abdichtfolie und den Gehäuserand des Gehäuses beziehungsweise dessen Kante gleichzeitig aufgebracht werden.
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Das Gehäuse kann einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein. Ist das Gehäuse mehrteilig ausgestaltet, so kann dieses beispielsweise mindestens ein erstes Gehäuseteil und mindestens ein zweites Gehäuseteil umfassen, wobei das Siegelmaterial gleichzeitig auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil herstellen kann. Zusätzlich können optional das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil durch mindestens eine weitere Verbindung miteinander verbunden sein, welche grundsätzlich beispielsweise stoffschlüssiger und/oder kraftschlüssiger und/oder formschlüssiger Art sein kann. Besonders bevorzugt sind hierbei Ultraschallschweißungen oder Verrastungen zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil.
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Neben dem Ultraschallwandler in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin eine Sensoranordnung vorgeschlagen. Diese Sensoranordnung kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Eigenschaft des fluiden Mediums zu erfassen, beispielsweise einen Füllstand und/oder einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom des fluiden Mediums. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen Ultraschallwandler gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen. Beispielsweise kann eine Sensoranordnung zwei oder mehr Ultraschallwandler umfassen, um beispielsweise über eine Laufzeitmessung auf eine Strömung des fluiden Mediums zu schließen. Derartige Sensoranordnungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung mindestens ein Sensorgehäuse, wobei der Ultraschallwandler mit dem Sensorgehäuse verbunden ist.
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Zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Ultraschallwandler und dem Sensorgehäuse kann beispielsweise wiederum eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder eine stoffschlüssige Verbindung genutzt werden. Beispielsweise kann der Ultraschallwandler mit seinem Gehäuse in das Sensorgehäuse eingeklebt oder auf dieses aufgeklebt werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Siegelmaterial des Ultraschallwandlers in einer Doppelfunktion genutzt wird und gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ultraschallwandler und dem Gehäuseelement der Sensoranordnung bewirkt.
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Bei der beschriebenen Sensoranordnung kann das Siegelmaterial insbesondere derart eingerichtet sein, dass dieses nicht oder nur in verringertem Maße über die Sensoranordnung vorsteht, beispielsweise über einen dem fluiden Medium zuweisenden Gehäuserand. Insbesondere können das Sensorgehäuses und/oder das Gehäuse des Ultraschallwandlers derart ausgestaltet sein, dass das Siegelmaterial in mindestens einer Vertiefung aufgenommen ist. Diese Vertiefung kann ganz oder teilweise in dem Sensorgehäuse und/oder ganz oder teilweise in dem Gehäuse und/oder zwischen dem Gehäuse und dem Sensorgehäuses angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Vertiefung eine Nut, insbesondere eine umlaufende Nut, umfassen. In dieser umlaufenden Nut kann das Siegelmaterial aufgenommen sein. Dementsprechend kann beispielsweise der Rand der Abdichtfolie in die mindestens eine Vertiefung hineingebogen sein, um dort durch das mindestens eine Siegelmaterial versiegelt zu werden.
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Das Sensorgehäuse kann insbesondere mindestens eine Aufnahme aufweisen. Das Gehäuse des Ultraschallwandlers kann zumindest teilweise in diese Aufnahme aufgenommen sein. Beispielsweise kann die Aufnahme eine zylindrische Form in dem Sensorgehäuse umfassen, insbesondere eine zylindrische Vertiefung. Das Gehäuse kann derart in der Aufnahme aufgenommen sein, dass bei einer Druckbelastung der Sensoranordnung durch das fluide Medium im Wesentlichen keine Zugbelastung auf die Abdichtfolie und/oder das Siegelmaterial auftritt. Dies kann beispielsweise derart bewerkstelligt werden, dass, wie oben beschrieben, das Siegelmaterial und/oder der Rand der Abdichtfolie zumindest teilweise in mindestens einer Vertiefung, beispielsweise einer umlaufenden Nut, aufgenommen sind. So kann beispielsweise eine Krempe des Gehäuses vorgesehen sein, wobei der Rand der Abdichtfolie und/oder das Siegelmaterial auf oder an der Krempe angeordnet sind, wobei die Krempe am Sensorgehäuse anliegt, beispielsweise in einer Vertiefung des Sensorgehäuses. Bei einer Gegendruckbelastung durch das fluide Medium wird dann die Krempe gegen das Sensorgehäuse gedrückt, so dass keine oder lediglich eine geringe Zugbelastung des Randes der Abdichtfolie und/oder des Siegelmaterials, beispielsweise der Klebung, auftritt. Geringe Zugbelastungen können dabei jedoch in Kauf genommen werden. So kann, rein physikalisch betrachtet, beispielsweise die Abdichtfolie bei Druckbelastung der Sensoranordnung immer auf Zug belastet werden, wenn beispielsweise das Innere des Ultraschallwandlers leicht nachgibt und/oder ein nicht unendlich hohes E-Modul aufweist, insbesondere, wenn die Abdichtfolie gespannt oder zumindest völlig gerade aufliegt. Derartige Belastungen können jedoch in gewissem Maße toleriert werden und sind noch unter dem Begriff „im Wesentlichen keine Zugbelastung” tolerierbar.
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Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und die vorgeschlagene Sensoranordnung weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und Sensoranordnungen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Insbesondere lässt sich auf diese Weise ein mediendichter Ultraschallwandler bereitstellen, der insbesondere auch zur Strömungsmessung in Verbrennungsmotoren und/oder anderen aggressiven Umgebungen eingesetzt werden kann. Ohne die genannte Abdichtfolie und/oder die Versiegelung wäre der Innenraum des Ultraschallwandlers, beispielsweise eine Dämpfung oder Körperschallentkopplung im Ultraschallwandler, den bisweilen aggressiven fluiden Medien ausgesetzt, beispielsweise den in einem Kraftfahrzeug-Ansaugtrakt enthaltenen Medien wie beispielsweise Feuchtigkeit, Öl, Abgasanteilen, Kohlenwasserstoffen, Säuren oder ähnlichen aggressiven Medien. Für die Entkopplung des Wandlerkerns gegenüber dem Gehäuse sind jedoch in der Regel weiche Silikone erforderlich, die gegenüber diesen Medien wenig resistent sind.
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Eine Abdichtfolie allein ist jedoch in der Regel relativ hohen Belastungen ausgesetzt, insbesondere aufgrund von Druck- und/oder Temperaturschwankungen. Diese Belastungen sind insbesondere auf thermische Ausdehnungen von Materialien im Ultraschallwandler, wie beispielsweise Kunststoffen, zurückzuführen. Dementsprechend lässt sich die Abdichtfolie bei herkömmlichen Konstruktionen leicht am Rand durch Medien unterwandern. Durch die Versiegelung des Folienrandes wird hingegen der Ultraschallwandler mechanisch stabilisiert und hinsichtlich seiner Dichtheit.
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Weiterhin lässt sich auch die Herstellung des genannten Ultraschallwandlers leicht bewerkstelligen. Das mindestens eine Siegelelement kann gleichzeitig zur Befestigung des Ultraschallwandlers in dem Sensorgehäuse und/oder zur Abdichtung des Ultraschallwandlers gegenüber dem Sensorgehäuse dienen. Eine gleichzeitige Herstellung der Versiegelung und der Befestigung und/oder Abdichtung vereinfacht die Prozessabfolge in der Fertigung erheblich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Ultraschallwandlers;
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2A und 2B ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers und einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
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3 und 4 abgewandelte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers und einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung; und
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5 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele von Ultraschallwandlern mit mehrteiligem Gehäuse.
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Ausführungsbeispiele
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In
1 ist ein dem Stand der Technik entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers
110 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Der Ultraschallwandler
110 kann beispielsweise im Wesentlichen dem in
DE 10 2008 055 126.0 dargestellten Ultraschallwandler entsprechen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Der Ultraschallwandler
110 umfasst ein Gehäuse
112, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich teilweise gezeigt ist. Dieses Gehäuse
112 ist im Wesentlichen hülsenförmig ausgestaltet und weist einen Innenraum
114 auf. Dieser Innenraum
114 wiederum weist an seiner einem fluiden Medium
116 zuweisenden Seite eine Öffnung
118 auf, welche beispielsweise einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweisen kann. Diese Öffnung
118 ist von einem Gehäuserand
120 ringförmig umgeben, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel nach hinten, weg vom fluiden Medium
116, umgebogen ist.
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Innerhalb des Innenraums
114 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wandlerkern
122 aufgenommen, beispielsweise konzentrisch zu einer Achse
124 des Ultraschallwandlers
110. Der Wandlerkern
122 umfasst ein elektrisch-akustisches Wandlerelement
126, beispielsweise ein piezoelektrisches Wandlerelement. Weiterhin umfasst der Wandlerkern
122 auf seiner dem fluiden Medium
116 zuweisenden Seite einen Anpasskörper
128, welcher, wie oben dargestellt, der Verbesserung der akustischen Kopplung zwischen dem Wandlerkern
122 und/oder dem elektrisch-akustischen Wandlerelement
126 und dem fluiden Medium
116 dient. Für mögliche Ausgestaltungen des Anpasskörpers
128, der beispielsweise als λ/4-Impedanzanpassschicht ausgestaltet sein kann, kann auf die
DE 10 2007 037 088 A1 , die
DE 10 2007 010 500 A1 oder die
DE 10 2008 055 126.0 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Zwischen dem optionalen Anpasskörper
128 und dem elektrisch-akustischen Wandlerelement
126 können weitere Elemente aufgenommen sein, beispielsweise eine Ausgleichsschicht zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Weiterhin kann der Wandlerkern
122 zusätzliche Elemente umfassen.
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Zwischen dem Wandlerkern 122 und dem Gehäuse 112 kann ein Zwischenraum 130 vorgesehen sein. Dieser Zwischenraum 130 kann, wie in 1 gezeigt, ganz oder teilweise mit einem Entkopplungselement 132 ausgefüllt sein. Dieses Entkopplungselement 132 dient der Dämpfung von Körperschallübertragungen zwischen dem Gehäuse 112 und dem Wandlerkern 122, welche beispielsweise zu parasitären Ultraschallpfaden zwischen mehreren Ultraschallwandlern 110 in einer Sensoranordnung führen könnten. Beispiele derartiger Entkopplungselemente 132 sind Entkopplungen mit einem Silikonmaterial. Das Entkopplungselement 132 kann beispielsweise als Vergussteil oder auch ganz oder teilweise als Einlegeteil ausgestaltet sein. Weiterhin ist optional rückseitig des Wandlerkerns 122 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Dämpfungsmaterial 134 vorgesehen. Dieses Dämpfungsmaterial 134 kann beispielsweise als Dämpfungsverguss rückseitig in das Gehäuse 112 eingebracht werden und dient der Beschleunigung eines Abklingverhaltens des Wandlerkerns 122.
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Auf der dem fluiden Medium 116 zuweisenden Seite weist der Wandlerkern 122 eine Abstrahlfläche 136 auf, also eine Fläche, über welche Ultraschallsignale an das fluide Medium 116 abgegeben und/oder Ultraschallsignale von dem fluiden Medium 116 aufgenommen werden können. Diese Abstrahlfläche 136 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ebene angeordnet mit einer Stirnfläche 138 des Gehäuserands 120. Auch das Entkopplungselement 132 schließt vorzugsweise in dieser Ebene ab. Die gesamte, dem fluiden Medium 116 zuweisende Seite des Ultraschallwandlers 110 ist dabei im dargestellten Beispiel von einem Abdichtelement 140 in Form einer Abdichtfolie 142 überspannt, welche die Öffnung 118 abdeckt. Die Abdichtfolie 142 kann beispielsweise mit der Abstrahlfläche 136 und/oder dem Gehäuserand 120 verklebt sein.
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Der Ultraschallwandler 110 gemäß 1 ist ein fiktiver Ultraschallwandler, von welchem für die Erfindung ausgegangen werden kann, welcher jedoch in dieser Weise noch nicht marktüblich oder auf sonstige Weise bekannt oder verbreitet ist. Der Ultraschallwandler 110 gemäß 1 kann jedoch, wie unten näher ausgeführt wird, auf verschiedene Weise erfindungsgemäß modifiziert werden. So kann der Ultraschallwandler 110 gemäß 1 in vieler Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise kann der Anpasskörper 128 auf verschiedene Weise ausgestaltet sein und kann insbesondere eine Impedanzanpassschicht mit einem mit Hohlräumen versehenen Werkstoff enthalten, beispielsweise eine poröse Keramik, einen geschäumten Kunststoff, insbesondere einen Duroplasten oder einen Thermoplasten oder allgemein ein Polymer, oder allgemein einen mit Hohlkörpern versehenen Kunststoff. Als Hohlkörper in Frage kommen können insbesondere Kunststoff- oder Glashohlkörper, vorzugsweise Glashohlkugeln. Wird Kunststoff als Grundwerkstoff verwendet, dann kann zum Beispiel ein mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxy-Material eingesetzt werden. Alternativ bietet sich ein Polyimid an, beispielsweise ein geschäumtes und/oder ein gesintertes oder poröses Polyimid, beispielsweise Kapton® oder der Werkstoff Vespel® der Firma DuPont. Der Anpasskörper 128 kann weitere Materialien oder Bereiche enthalten, die beispielsweise eine Impedanzanpassung in mehreren Schritten vom elektrisch-akustischen Wandlerelement 126, beispielsweise vom Piezo, hin zum fluiden Medium 116, beispielsweise der Luft, ermöglichen, oder die bezüglich ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens, ihrer Flexibilität oder der Fähigkeit, Spannungen abzubauen, dazu dienen, den Gesamtverbund des Wandlerkerns 122 und insbesondere das elektrisch-akustische Wandlerelement vor Verspannungen zu schützen.
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Alternativ könnte der Wandlerkern 122 oder eine Einkoppelbaugruppe dieses Wandlerkerns 122 auch einen andersartig schallabstrahlenden Resonanz- oder Anpasskörper umfassen, wie beispielsweise eine Metallmembran oder einen Metallkörper mit einer Metallmembran. In diesem Fall kann eine Impedanzanpassung beispielsweise über eine Umsetzung einer Radial- oder Biegebewegung kleiner Amplitude aber großer Kraft, zum Beispiel eines Piezoelements, in eine Schwingbewegung mit kleiner Kraft aber großer Amplitude erfolgen, wie es zur Einkopplung in Luft oder andere Gase erforderlich ist. Der Wandlerkern 122, also beispielsweise eine Piezokeramik und eine Einkoppelbaugruppe, sind über das Entkopplungselement 132 im Gehäuse 112 befestigt. Das Entkopplungselement 132 kann vorzugsweise silikonartig ausgestaltet sein. Es kann auch einen mit Partikeln oder Hohlräumen oder Hohlkörpern gefüllten Werkstoff umfassen, beispielsweise ebenfalls einen Silikonwerkstoff. Das Gehäuse 112 selbst kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem metallischen Material gefertigt sein. In Richtung des fluiden Mediums 116 verschließt die Abdichtfolie 142 den Ultraschallwandler 110. Wie oben bereits ausgeführt, kommt für diese Abdichtfolie 142 grundsätzlich eine Vielzahl von Materialien in Betracht, beispielsweise PEEK, PPS, Polyimid (beispielsweise Kapton®), LCP, PTFE, FEP, PEN oder andere Kunststoffe oder dünne Metallfolien, Folien mit metallischen, keramischen oder kunststoffartigen Beschichtungen, Folien mit einer Klebstoffschicht oder auch Kombinationen der genannten und/oder andere Materialien. Die Abdichtfolie 142 weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 100 μm auf, besonders vorteilhaft ist eine Dicke von weniger als 25 μm.
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Der vordere Hülsenbereich ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, exemplarisch als „Krempe” 144 ausgestaltet und nach hinten umgebogen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Gehäuserand 110 bei einer Gegendruckbelastung am (in 1 nicht dargestellten) Sensorgehäuse anliegt, so dass in diesem Fall keine Zugbelastung einer dort angebrachten Klebung auftritt. Die Krempen-Geometrie des Gehäuses 112 und die Geometrie des Sensorgehäuses können darüber hinaus so ausgeformt werden, dass sich eine Nut und eine Feder für eine Klebung ergeben. Im Fall der Verwendung eines heißthixotropen Klebstoffs ist dies nicht unbedingt erforderlich. Als Klebstoff kann beispielsweise ein Epoxy-Material verwendet werden.
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Der in 1 gezeigte Ultraschallwandler 110 bildet den Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung. Dementsprechend können die zuvor beschriebenen Merkmale des Ultraschallwandlers 110 gemäß 1 optional auch in einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 110 vorliegen. In den 2A und 2B ist eine erfindungsgemäße Abwandlung des Ultraschallwandlers 110 gemäß 1 gezeigt. Gleichzeitig ist der dort dargestellte Ultraschallwandler 110 in einem Sensorgehäuse 146 einer Sensoranordnung 148 aufgenommen, so dass die Darstellungen gleichzeitig Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 148 zeigen. Eine Sensoranordnung 148 kann beispielsweise mehrere Ultraschallwandler 110 umfassen, beispielsweise mehrere Ultraschallwandler 110, welche für eine Laufzeitmessung in dem fluiden Medium 116 eingesetzt werden. Dabei zeigt 2A eine schematische Gesamtansicht des Ultraschallwandlers 110, wohingegen 2B lediglich eine vergrößerte Darstellung eines in 2A mit der Bezugsziffer 150 bezeichneten Übergangsbereichs zwischen dem Ultraschallwandler 110 und dem Sensorgehäuse 146 zeigt. Der Ultraschallwandler 110 ist, wie in 2A erkennbar, im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Aufnahme 160 im Sensorgehäuse 146 aufgenommen. Beispielsweise kann diese Aufnahme 160 eine zylindrische Vertiefung umfassen. Die Aufnahme 160 kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass der Ultraschallwandler 110 auf Seiten des fluiden Mediums 116 bündig mit dem Sensorgehäuse 146 abschließt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die Aufnahme 160 beziehungsweise das Sensorgehäuse 146 weisen vorzugsweise im Bereich des Gehäuserandes 120 des Ultraschallwandlers 110 eine Vertiefung 162 auf. Die Krempe 144 des Gehäuserandes 120 ist vorzugsweise in dieser Vertiefung 122 aufgenommen. Beispielsweise kann die Abdichtfolie 142 bündig mit dem Gehäuserand 120 des Gehäuses 112 abschließen.
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Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in 2B hervorgeht, ist in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein Rand der Abdichtfolie 142 mit einem Siegelmaterial 164 versiegelt. Dieses Siegelmaterial 164 kann beispielsweise einen Klebstoff umfassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Siegelmaterial 164 beispielsweise in Form einer Kleberaupe 166 ausgestaltet. Dabei sind zwei mögliche Durchmesser der Kleberaupen 166 gezeigt, wobei mit der Bezugsziffer 168 eine Kleberaupe mit einem ersten, kleineren Durchmesser und mit der Bezugsziffer 170 eine Kleberaupe mit einem zweiten, größeren Durchmesser bezeichnet ist. Die Kleberaupe 170 ist dabei gestrichelt dargestellt, wohingegen die Kleberaupe 168 mit durchgezogenen Linien gezeigt ist. Diese Durchmesser können alternativ verwendet werden. Beispielsweise kann die Kleberaupe 168 einen Durchmesser von 0,89 mm aufweisen, wohingegen die Kleberaupe 170 einen Durchmesser von 2 mm aufweisen kann und beispielsweise den Gehäuserand 120 des Gehäuses 112 in einem weiteren Bereich verdecken kann. Sämtliche Dimensionsangaben in 2 sind exemplarisch zu verstehen und sind in Millimetern angegeben. Vorzugsweise ist die Kleberaupe 166 derart dimensioniert, dass diese vollständig in der optionalen Vertiefung 162 des Sensorgehäuses 146 aufgenommen ist.
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In den 2A und 2B sind also mögliche spezielle geometrische Ausformungen mit zwei unterschiedlichen möglichen Kleberaupedurchmessern exemplarisch gezeigt. Soll der Einbau des Ultraschallwandlers 110 auf andere Weise als in den dargestellten Ausgestaltungen erfolgen, beispielsweise in einem invertierten Aufbau „über Kopf, so ist als Klebstoff für die Kleberaupe 166 vorzugsweise ein heißthixotroper Klebstoff zu verwenden, welcher seine Form über die Temperatur, das heißt bei der Aushärtung, beibehält. Die Krempe 144 des Gehäuserandes 120 taucht gemeinsam mit dem Rand der Abdichtfolie 142 vorzugsweise vollständig in das Kleberbett der Kleberaupe 166 ein. Die Abdichtfolie 142 kann beispielsweise durch einen Tiefziehprozess bei der Wandlerfertigung um die Kontur der Krempe 144 herum tiefgezogen werden. Die Klebstoffmenge und Klebstoffpositionierung ist beim Aufbringen der Kleberaupe 166, beispielsweise mittels eines Dispenserprozesses, derart zu bemessen, dass einerseits das Folienende vollständig von Klebstoff umschlossen wird und andererseits vorzugsweise gleichzeitig das Gehäuse 112 gegenüber dem Sensorgehäuse 146 dauerhaft abgedichtet wird.
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In 3 ist, in analoger Darstellung zu 2B, eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß der 2A und 2B gezeigt. Wiederum ist ein Sensorgehäuse 146 mit einer Vertiefung 162 gezeigt, in welches der Ultraschallwandler 110 mit seinem Gehäuse 112 eingefügt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist gezeigt, dass der Ultraschallwandler 110 nicht notwendigerweise auf Seiten des fluiden Mediums 116 bündig mit dem Sensorgehäuse 146 abschließen muss, sondern auch beispielsweise in das Sensorgehäuse 146 hineinversetzt vertieft in der Aufnahme 160 aufgenommen sein kann.
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Weiterhin ist in 3 gezeigt, dass die Krempe 144 nicht notwendigerweise nach hinten umgebogen sein muss, sondern auch beispielsweise flach ausgestaltet sein kann.
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Im Unterschied zur Ausgestaltung in den 2A und 2B sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 zwei Kleberaupen 166 vorgesehen. Beispielsweise kann eine dieser Kleberaupen 166 eher die Aufgabe übernehmen, den Rand der Abdichtfolie 142 zu versiegeln, wohingegen die andere dieser Kleberaupen 166 den Ultraschallwandler 110 mit dem Sensorgehäuse 146 verbinden kann und/oder eine Abdichtung zwischen Gehäuse 112 und Sensorgehäuse 146 bewerkstelligen kann. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass die genannten Aufgaben auch optional von mehreren Elementen, beispielsweise mehreren Kleberaupen, übernommen werden können. Die Kleberaupen 166 können beispielsweise wiederum einen Durchmesser von 0,89 mm aufweisen. Sämtliche Angaben in 3 sind wiederum in Millimetern.
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In 4 ist hingegen eine Abwandlung der Sensoranordnung 148 gemäß 3 gezeigt, in welcher lediglich eine einzelne Kleberaupe 166 vorgesehen ist. Diese einzelne Kleberaupe 166 übernimmt im dargestellten Ausführungsbeispiel die Funktion der Versiegelung des Randes der Abdichtfolie 142. Weiterhin übernimmt diese die Funktion einer Verklebung des Sensorgehäuses 112 in der Aufnahme 160 und/oder eine Abdichtung des Gehäuses 112 gegenüber dem Sensorgehäuse 160 in Mehrfachfunktion. Im Unterschied zu 3 kann dabei optional die Vertiefung 164 im Sensorgehäuse 146 auch abgerundet ausgestaltet sein. Die Kleberaupe 166 kann beispielsweise wieder einen Durchmesser 0,89 mm aufweisen. Allgemein sei jedoch darauf hingewiesen, dass in diesen und auch in anderen Ausführungsbeispielen die Geometrien der Kleberaupen 166 und/oder deren Positionen stark abhängig sein können von den speziellen Klebstoffeigenschaften, so dass auch erhebliche Abweichungen von den genannten Dimensionen möglich sind.
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In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde dargestellt, dass das Sensorgehäuse 112 im Wesentlichen einteilig ausgebildet sein kann. In den 5 bis 6 sind hingegen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 gezeigt, bei welchen das Gehäuse 112 mehrteilig ausgebildet sein kann. Die dargestellten Ultraschallwandler 110 können wiederum auch Bestandteile einer Sensoranordnung 148 sein.
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So zeigen die 5 und 6 Ausführungsbeispiele, bei welchen das Gehäuse 112 ein erstes Gehäuseteil 172 und ein zweites Gehäuseteil 174 umfasst. Beispielsweise kann das Gehäuse 112 als doppelte Wandlerhülse ausgebildet sein. In einem dem fluiden Medium 116 zuweisenden Bereich, in welchem die Abdichtfolie 142 mit dem Gehäuse 112 verbunden ist, kann optional wiederum eine Vertiefung 162 vorgesehen sein, welche beispielsweise in dem ersten Gehäuseteil 172 und/oder in dem zweiten Gehäuseteil 174 ausgebildet sein kann. In dieser Vertiefung 162 kann das Siegelmaterial 164 ganz oder teilweise aufgenommen sein. Das Siegelmaterial 164 kann beispielsweise wieder als Klebstoff, beispielsweise als Kleberaupe 166, ausgestaltet sein. Entsprechend dient das Siegelmaterial 164 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum einer Mehrfachfunktion. So dichtet dies nicht nur den Rand der Abdichtfolie 142 ab, sondern dichtet auch zwischen den Wandungen der Gehäuseteils 172 und 174.
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Während in 5 eine einfache doppelwandige Hülse als Gehäuse 112 vorgesehen ist, zeigt 6 wiederum die Möglichkeit, den Ultraschallwandler 110 weiter zu verbauen, beispielsweise in einem Sensorgehäuse 146 der Sensoranordnung 148. Beispielsweise kann zu diesem Zweck in 6 eine Verrastung 176 des Gehäuses 112 in einer Aufnahme 160 des Sensorgehäuses 146 vorgesehen sein. Diese Verrastung 176 kann beispielsweise einer Vorfixierung dienen, welche beispielsweise durch eine weitere Dichtklebung 178 ergänzt werden kann. Letztere kann dann bezüglich ihrer Funktion von der Folienabdichtung durch das Siegelmaterial 164 entkoppelt sein.
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In 7 ist ein gegenüber 6 abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandler 110 und der Sensoranordnung 148 gezeigt. Ein Entkopplungselement 132 ist dabei in 7 nicht dargestellt, kann jedoch optional zusätzlich vorgesehen sein. Auch hier sind wiederum zwei Gehäuseteile 172, 174 des Gehäuses 112 vorgesehen, welche miteinander durch das Siegelmaterial 164 verbunden werden. Dabei ist jedoch gezeigt, dass auch bei einem mehrteiligen Gehäuse 112 die Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 172, 174 auch ganz oder teilweise durch andere Verbindungen bewerkstelligt werden kann. So können beispielsweise, alternativ oder zusätzlich zu dem Siegelmaterial 164 eine oder mehrere andere Verbindungen vorgesehen sein. Beispielsweise können die beiden Gehäuseteile 172, 174 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. In 7 ist exemplarisch eine Ultraschallschweißung 180 vorgesehen, beispielsweise an einer entsprechenden Schulter 182 und/oder einer anderen entsprechenden, eine derartige Verbindung ermöglichenden Kontur. Für weitere mögliche Einzelheiten kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010500 A1 [0001, 0008, 0032]
- DE 102007037088 A1 [0001, 0008, 0032]
- DE 102008055126 [0001, 0003, 0008, 0011, 0031, 0032]
