EP2893303A1 - Ultraschallwandler und verfahren zur herstellung eines ultraschall-wandlers - Google Patents

Ultraschallwandler und verfahren zur herstellung eines ultraschall-wandlers

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EP2893303A1
EP2893303A1 EP13759168.1A EP13759168A EP2893303A1 EP 2893303 A1 EP2893303 A1 EP 2893303A1 EP 13759168 A EP13759168 A EP 13759168A EP 2893303 A1 EP2893303 A1 EP 2893303A1
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EP
European Patent Office
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ultrasonic transducer
covering means
housing
cavity
covering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13759168.1A
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Oliver Betz
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systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH
Original Assignee
systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH, systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH filed Critical systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer, wherein the ultrasonic transducer comprises a housing and a piezo-element, which is inserted in a cavity of the housing. The cavity is covered by a covering means arranged in the housing. Between the cover and the piezo-element, a spring is arranged, which acts on the piezo-element with a spring force. Furthermore, the invention relates to a method for assembling an ultrasonic transducer and an assembly for installation in the housing of an ultrasonic transducer.
  • ultrasonic transducers are used for a variety of measurements.
  • the ultrasound used for the measurement is generated by exciting a piezoelectric element to vibrate by changing the voltage.
  • the ultrasound thus generated is picked up by a receiver directly or after reflection at an interface.
  • the receiver converts the applied ultrasonic signals back into a voltage change.
  • the ultrasonic transducer of the type mentioned is also suitable as a receiver, so that it can be used both as a generator as well as a receiver of ultrasonic signals.
  • Such ultrasonic transducers are used, for example, as pressure or level sensors. They have proven particularly useful as sensors for flowmeters.
  • the flow rate of a flowing through the conduit medium can be determined easily.
  • Various methods can be used for the measurement; a frequently used method is the propagation time difference measurement of the ultrasonic signals emitted by the ultrasound transducer. From the results obtained, the mass or volume flow in the pipe can be calculated with high precision.
  • ultrasonic flowmeters do not necessarily have to be installed in the pipe to be dimensioned, but also as so-called clamp-on measuring devices can be used. In many cases it is completely sufficient for the measurement to fasten the ultrasonic transducers on the outside of the line.
  • the non-invasive measurement offers the advantage that it is possible to dispense with opening the line required for inserting the sensor. Leakage problems do not even occur here.
  • clamp-on measuring devices do not generate a disturbance in the pipe cross-section and thus there is no danger of falsifying the measurement result by means of a local flow change caused by the sensor
  • the clamp-on flowmeters which are easy to install, are suitable for mobile use at changing measuring locations beyond stationary use. For this, it only needs to be calibrated to the respective pipe cross-section and the material used for the wall of the pipe.
  • An ultrasonic transducer essentially consists of a piezo element that is inserted in a cavity which is formed in the housing of the ultrasonic transducer.
  • the inserted into the cavity piezo element is pressed by spring force from the inside against this outer wall of the housing.
  • To the rest of the housing cavity is closed with a covering, usually it is covered by a simple disc.
  • Such a covering means is required because the interior of the ultrasonic transducer is provided with a potting enclosure after the assembly of the piezoelectric element in the vast majority of cases for safety reasons.
  • the disc covering the cavity is intended to prevent the liquid potting compound from penetrating into the cavity during the casting of the ultrasonic transducer and overriding the effect of the spring element.
  • the disc can be used as an abutment for the spring pressing the piezo element to the housing inner wall.
  • the assembly of these parts is relatively complex.
  • the piezo element Before the housing can be cast, the piezo element must first go outside be contacted. This is done via guided in the housing cable, which connect the piezoelectric element with the provided at the back of the housing terminals of the ultrasonic transducer.
  • an opening or a cable channel In the cavity-covering disc, an opening or a cable channel is provided, through which the cables must be threaded to guide them out of the cavity.
  • the piezoelectric element opposite end of the cable connection is soldered to the housing with the external interface of the ultrasonic transducer, so its connection.
  • impedance matching is almost always required. It is achieved by the interposition of an inductance.
  • the cavity After cabling, the cavity must be sealed off from the rest of the housing. A disk lying only on the cavity would not completely close it, penetration of the potting compound into the cavity would not be safe in this way.
  • the disc In order to ensure the tightness of the cavity as simple as possible, the disc is glued to the housing. For this purpose, the disc is positioned in the desired position over the cavity and fixed there, for example with a split pin. Subsequently, it is provided along the housing with an adhesive which, after curing, connects the disc to the housing and seals the cavity. Also glued and thus sealed is the existing in the disc opening with the guided through them wiring.
  • the object of the present application is to provide an ultrasonic transducer whose production is simpler in comparison with the ultrasonic transducers of the type mentioned above. Furthermore, a prefabricated assembly is proposed with which an ultrasonic transducer can be assembled in a quick and easy way. In addition, a simplifying the assembly of an ultrasonic transducer method is proposed.
  • the ultrasound transducer has a plurality of conductor tracks, respectively electrical conductors, which pass through the covering means.
  • one of the conductor tracks connects a contact surface, which is arranged on the side facing the piezoelectric element of the cover, with a contact surface on the opposite side of the cover.
  • the covering is thus formed as a kind of printed circuit board or board.
  • the electrical conductors are therefore integrated into the covering means, that is, embodied in one piece with the covering means.
  • the piezoelectric element is connected to the covering means on the side facing the cavity, and the external interface of the ultrasonic transducer arranged on the housing is connected to the side opposite the cavity.
  • the cables connecting the piezoelectric element with the external interface thus no longer have to be passed through an opening, instead two separate cables are each contacted with the contact points provided for this purpose on one side of the covering means.
  • a first cable connects the piezo element to the covering means
  • the second cable connects the covering means to the external interface of the ultrasonic transducer.
  • the first and second cables are in turn interconnected by the cover means.
  • the interconnects integrated in the covering means are thus part of an electrical connection which contacts the piezoelement with the external interfaces of the ultrasound transducer arranged on the housing.
  • a very particular advantage of this solution is that it makes it possible to pre-assemble elements of the ultrasonic transducer according to the invention prior to installation in the converter housing as an assembly.
  • the proposed prefabricated assembly has a covering means for closing a cavity provided for receiving a piezoelectric element of the ultrasonic transducer, wherein the Covering means according to the invention comprises electrical conductors which through-contact the covering means and wherein the assembly comprises a piezoelectric element which is connected to the electrical conductors and wherein between the piezo-element and the covering means a spring element is arranged.
  • This assembly is preferably already assembled outside of the ultrasonic transducer, since such an access from all sides is easily possible.
  • the piezoelectric element and the covering means are easily accessible in this way and can be connected to one another without hindrance.
  • the prefabricated module must then only be connected to the external interface of the ultrasonic transducer.
  • the designated contact points of the covering are still easily accessible even after the positioning of the assembly.
  • the assembly of the ultrasonic transducer is thereby significantly simplified.
  • contact points of the conductor tracks are formed as solder surfaces.
  • solder pads additionally facilitates the contacting of the cables and thus accelerate the assembly of the ultrasonic transducer even more.
  • the covering means comprises at least one electrical or electronic component. This makes it possible to provide such a component in the connection of the piezoelectric element and the external interface of the ultrasonic transducer, without it having to be intermediately interposed in the connection.
  • the component can be connected in advance of the assembly with the conductor of the cover, during assembly of the ultrasonic transducer so no additional connections are required except the contacts of the first and second cable.
  • the covering means comprises at least one inductance for impedance matching of the piezoelectric element.
  • An impedance matching is regularly required as described. If the board is already equipped with the inductance inserted in the strip conductor, it is possible to dispense with the freehand wiring of the coil otherwise to be performed during the contacting. It is particularly advantageous if the covering means comprises an active electronic component, for example a sensor detection, which reads out the piezoelectric element used in the ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer has a covering means, which is held in the transducer housing by means of a bayonet closure.
  • An essential basic idea of this aspect of the invention is to make the connection between cover and converter housing self-holding.
  • the proposed plug-in rotary connection allows a known manner, a positive connection of the two parts.
  • the cover means is fixed with the closing of the bayonet closure in the desired cavity covering position.
  • the spring element arranged between the covering means and the piezo element additionally assists the sealing of the cavity.
  • the spring force exerted by the spring element on the piezoelectric element presses in the opposite direction the covering means against the housing-side part of the bayonet closure and seals the cavity.
  • the positive connection achieved in this way makes it possible to dispense with the hitherto required additional step of bonding the covering means to the housing.
  • the cover must therefore no longer be held in position, as it was previously required for bonding.
  • the assembly of the ultrasonic transducer is much easier.
  • the specific embodiment of the bayonet principle ie how the covering is inserted into the housing and is moved by means of a rotation between covering and converter housing in a position in which it is held positively on the housing, can without particular difficulties to the respective circumstances be adjusted.
  • the bayonet closure comprises a thread.
  • the thread allows by twisting a Jacobson2020 the housing-side part and the cover center side part of the bayonet lock to the complete system.
  • the two closure parts are thus twisting pressed against each other along the thread, whereby the sealing of the cavity is further improved.
  • the piezo element and the covering means are connected to each other.
  • the piezo element is biased by the spring element, so to speak.
  • the assembly is then secured by means of the bayonet lock on the housing of the ultrasonic transducer, wherein the piezo element is pressed by the spring element against the inside of the housing. After closing the bayonet closure, the piezo element is in the intended position, at the same time the cavity is sealed.
  • the contacts on the side facing away from the cavity of the board must be connected to the electrical or electronic interfaces of the ultrasonic transducer.
  • Dannt is the piezoelectric element via the covering means through-contacting conductor tracks connected to the housing arranged connections of the ultrasonic transducer.
  • the covering means is welded to the housing, in particular by ultrasonic welding.
  • the method of attachment of the covering means can also be considered detached from the formation of the covering means with through-contacting conductor tracks.
  • the described advantages of the fastening types bayonet closure or ultrasonic welding can also be realized independently of the formation of the covering means as a circuit board.
  • the features of the characterizing part of claims 1 and 1 1 are therefore not mandatory for this purpose.
  • Figure 1 A schematic representation of a composite ultrasonic transducer with a cover plate in the form of a board
  • Figure 2 A schematic representation of an ultrasonic transducer with a cover plate in the form of a circuit board, which is held by means of a bayonet closure in the housing.
  • the ultrasonic transducer 1 shown in FIG. 1 has a housing 2 and a connection 3 fastened to the housing 2 for a cable connection, not shown here, for connecting the ultrasonic transducer 1 to a control unit.
  • a piezo element 5 is arranged in a cavity 4.
  • the piezoelectric element 5 is acted upon by a spring 6, which presses it against a wall 7 of the cavity 4.
  • the piezo-element 5 opposite end of the spring 6 abuts a cover 4 covering the cavity 4.
  • the covering means is fastened to the housing 2 by retaining means, not shown here, and seals the cavity against the penetration of potting compound.
  • the covering means 8 has through-contacting printed conductors and is thus formed like a platinum. On the side facing the cavity 4 of the cover 8 conductor tracks are connected via cable 9 to the piezoelectric element 5.
  • the cable 9 run through the spring 6 formed in the form of a helical spring.
  • the covering means 8, the spring 6 and the piezo element 5 connected via the cables 9 to the covering means 8 form an assembly. The assembly may be prefabricated outside the housing 2 and inserted into the converter housing 2 after assembly.
  • the cover means 8 requires no opening for the piezoelectric element 5 outwardly contacting cable. It is self-contained. His the cavity 4 facing away from surface 10 thus has no openings, could penetrate through the potting compound in the cavity 4. On the surface 10 solder pads are provided, are connected via the cable 1 1 with the piezoelectric element 5 through-contacting conductor tracks. The cables 1 1 extend through the housing 2 to the terminal 3, via which the piezo element 5 can be connected to a control unit.
  • FIG. 2 shows a further partially opened ultrasonic transducer 1, in which the holding means of the covering means 8 is a bayonet closure 12.
  • the circularly shaped covering means 8 has on its circumference two projecting pins, which are inserted into slots 13 which are mutually offset by 180 degrees at a likewise circular opening of the housing 2 are arranged above the cavity 4.
  • Adjoining the slots 13 is a lateral slot designed to be transverse, in which the pins are pushed in by twisting the cover means 8.
  • the taken in the transverse slot, shown here in phantom pin 14 undercut the longitudinal slot 13 and thus secure the cover 8 in its position over the cavity 4 so that it can seal the cavity against entered into the housing potting compound.
  • the cables 1 1 are equipped with sufficient clearance, so that they do not hinder the rotation of the cover 8.

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Abstract

Ultraschall-Wandler (1), umfassend ein Gehäuse (2) und ein Piezo-Element (5), wobei das Piezo-Element (5) in einem Hohlraum (4) des Gehäuses eingesetzt ist, wobei im Gehäuse (2) ein Abdeckmittel (8) angeordnet ist, welches den Hohlraum (4) abdeckt und wobei zwischen dem Abdeckmittel (8) und dem Piezo-Element (5) ein Feder-Element (6) angeordnet ist, welche das Piezo- Element (5) mit einer Federkraft beaufschlagt, wobei dass das Abdeckmittel (8) mehrere das Abdeckmittel (8) durchkontaktierende Leiterbahnen aufweist.

Description

Ultraschall-Wandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Wandlers
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler, wobei der Ultraschallwandler ein Gehäuse und ein Piezo-Element umfasst, das in einem Hohlraum des Gehäuses eingesetzt ist. Der Hohlraum wird von einem im Gehäuse angeordneten Abdeckmittel abgedeckt. Zwischen dem Abdeckmittel und dem Piezo-Element ist eine Feder angeordnet, welche das Piezo-Element mit einer Federkraft beaufschlagt. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau eines Ultraschall- Wandlers und eine Baugruppe zum Einbau in das Gehäuse eines Ultraschall- Wandlers.
Derartige Ultraschall-Wandler werden für eine Vielzahl von Messungen eingesetzt. Der zur Messung genutzte Ultraschall wird erzeugt, indem ein piezoelektrisches Element durch Spannungsänderung zu Schwingungen angeregt wird. Der so erzeugte Ultraschall wird direkt oder nach einer Reflexion an einer Grenzfläche von einem Empfänger aufgenommen. Der Empfänger wandelt die auf ihn einwirkenden Ultraschall-Signale wieder in eine Spannungsänderung um. Das Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art ist gleichfalls als Empfänger geeignet, so dass er sowohl als Erzeuger wie auch als Empfänger von Ultraschall-Signalen eingesetzt werden kann. Verwendung finden derartige Ultraschall-Wandler beispielsweise als Druckoder Füllstandssensoren. Bewährt haben sie sich insbesondere als Sensoren für Durchflussmesser.
Mit einem Ultraschall-Durchflussmesser lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit eines durch die Leitung strömenden Mediums ohne großen Aufwand bestimmen. Zur Messung können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, eine häufig genutzte Methode ist die Laufzeitdifferenzmessung der vom Ultraschall-Wandler ausgesendeten Ultraschall-Signale. Aus den gewonnenen Messergebnissen lässt sich dann mit hoher Präzision der Massen- bzw. Volumendurchfluss in der Leitung berechnen.
Ein besonderer Vorteil von Ultraschall-Durchflussmesser ist, dass sie nicht zwingend in die zu bemessende Leitung eingebaut werden müssen, sondern auch als sogenannte Clamp-on-Messgeräte eingesetzt werden können. In vielen Fällen reicht es zur Messung vollkommen aus, die Ultraschall-Wandler außen an der Leitung zu befestigen. Die nicht-invasive Messung bietet den Vorteil, dass auf eine für das Einsetzen des Sensors erforderliche Öffnung der Leitung verzichtet werden kann. Dichtigkeitsprobleme treten hier erst gar nicht auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Clamp-on-Messgeräte keine Störung im Rohrquerschnitt erzeugen und somit keine Gefahr besteht, durch eine vom Sensor hervorgerufene lokale Strömungsveränderungen das Messergebnis zu verfälschen
Die ohne großen Aufwand zu montierenden Clamp-On-Durchflussmesser eignen sich über die stationäre Verwendung hinaus auch für den mobilen Einsatz an wechselnden Messorten. Dafür muss er lediglich auf den jeweiligen Leitungsquerschnitt und das für die Wandung des Rohres verwendete Material kalibriert werden.
Ein Ultraschall-Wandler besteht im Wesentlichen aus einem Piezo-Element, dass in einem Hohlraum eingesetzt ist, der im Gehäuse des Ultraschall-Wandlers ausgebildet ist. Das in den Hohlraum eingesetzte Piezo-Element wird mit Federkraft von Innen gegen diese Außenwand des Gehäuses gedrückt. Zum übrigen Gehäuse hin ist Hohlraum mit einem Abdeckmittel verschlossen, üblicherweise wird er durch eine einfache Scheibe abgedeckt.
Ein solches Abdeckmittel ist erforderlich, da der Innenraum des Ultraschallwandlers nach der Montage des Piezo-Elements in den allermeisten Fällen aus Sicherheitsgründen mit einer Vergusskapselung versehen wird. Die den Hohlraum abdeckende Scheibe soll verhindern, dass beim Vergießen des Ultraschall-Wandlers die flüssige Vergussmasse in den Hohlraum eindringt und die Wirkung des Federelements außer Kraft gesetzt. Zusätzlich kann die Scheibe als Widerlager für die das Piezo-Element an die Gehäuse-Innenwand drückende Feder genutzt werden.
Zwar weist ein Ultraschall-Wandler nur einige wenige Bauteile auf, der Zusammenbau dieser Teile ist hingegen relativ aufwändig. Bevor das Gehäuse vergossen werden kann, muss das Piezo-Element erst einmal nach Außen kontaktiert werden. Dies erfolgt über im Gehäuse geführte Kabel, welche das Piezo- Element mit den an der Rückseite des Gehäuses vorgesehenen Anschlüssen des Ultraschall-Wandlers verbinden. In der den Hohlraum abdeckenden Scheibe ist eine Öffnung oder ein Kabelkanal vorgesehen, durch welche die Kabel gefädelt werden müssen, um sie aus dem Hohlraum zu führen. Das dem Piezo-Element entgegengesetzte Ende der Kabelverbindung wird am Gehäuse mit der externen Schnittstelle des Ultraschall-Wandlers, also dessen Anschluss, verlötet. Zusätzlich ist fast immer eine Impedanzanpassung erforderlich. Sie wird durch das Zwischenschalten einer Induktivität erreicht.
Nach erfolgter Verkabelung muss der Hohlraum gegenüber dem Rest des Gehäuses abgedichtet werden. Eine lediglich auf dem Hohlraum liegende Scheibe würde ihn nicht vollständig verschließen, ein Eindringen der Vergussmasse in den Hohlraum wäre auf diese Weise nicht sicher auszuschließen. Um die Dichtigkeit des Hohlraums möglichst einfach gewährleisten zu können, wird die Scheibe am Gehäuse verklebt. Hierzu wird die Scheibe in der gewünschte Lage über dem Hohlraum positioniert und dort fixiert, beispielsweise mit einem Splint. Anschließend wird sie entlang des Gehäuses mit einem Klebemittel versehen, welches nach dem Aushärten die Scheibe mit dem Gehäuse verbindet und den Hohlraum abdichtet. Ebenfalls verklebt und damit abgedichtet wird die in der Scheibe vorhandene Öffnung mit der durch sie hindurchgeführten Verkabelung.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen Ultraschall-Wandler zu schaffen, dessen Fertigung im Vergleich mit dem Ultraschall-Wandlern der eingangs genannten Art einfacher vonstatten geht. Des Weiteren wird eine vorfertigbare Baugruppe vorgeschlagen, mit der ein Ultraschall-Wandler auf schnelle und einfache Weise zusammengebaut werden kann. Zudem wird ein den Zusammenbau eines Ultraschall-Wandlers vereinfachendes Verfahren vorgeschlagen.
Die jeweiligen Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 9 bzw. 1 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den dazugehörigen Unteransprüchen. Der Ultraschall-Wandler weist in seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung mehrere das Abdeckmittel durchkontaktierende Leiterbahnen, respektive elektrische Leiter auf. Jeweils eine der Leiterbahnen verbindet eine Kontaktfläche, die auf der dem Piezo-Element zugewandten Seite des Abdeckmittels angeordnet ist, mit einer Kontaktfläche an der abgewandten Seite des Abdeckmittels. Das Abdeckmittel ist damit quasi als eine Art Leiterplatte respektive Platine ausgebildet. Die elektrischen Leiter sind demnach in das Abdeckmittel integriert, also einstückig mit dem Abdeckmittel ausgeführt. An dem Abdeckmittel wird an der dem Hohlraum zugewandten Seite das Piezo-Element und an der dem Hohlraum entgegengesetzten Seite die am Gehäuse angeordnete externe Schnittstelle des Ultraschall-Wandlers angeschlossen. Hierdurch kann nicht nur auf das bisher für die Kontaktierung des Piezo-Elements erforderliche Durchfädeln von Kabeln durch die Öffnung im Abdeckmittel verzichtet werden. Die Öffnung selbst wird nicht mehr benötigt. Damit entfällt auch das ansonsten notwendige Verschließen und abdichten dieser Öffnung vor dem Verguss des Ultraschall-Wandlers. Zum Verschließen des Hohlraums ist es nun mehr lediglich erforderlich, das Abdeckmittel in den Ultraschall- Wandler einzusetzen.
Die das Piezo-Element mit der externen Schnittstelle verbindenden Kabel müssen somit nicht mehr durch eine Öffnung geführt werden, stattdessen werden zwei separate Kabel jeweils mit den hierfür vorgesehenen Kontaktstellen an einer Seite des Abdeckmittels kontaktiert. Ein erstes Kabel verbindet das Piezo-Element mit dem Abdeckmittel, das zweite Kabel das Abdeckmittel mit der externen Schnittstelle des Ultraschall-Wandlers. Das erste und das zweite Kabel werden wiederum durch das Abdeckmittel miteinander verbunden. Die in das Abdeckmittel integrierten Leiterbahnen sind somit ein Teil einer elektrischen Verbindung, welche das Piezo- Element mit den am Gehäuse angeordneten externen Schnittstellen des Ultraschallwandlers kontaktiert.
Ein ganz besonderer Vorteil dieser Lösung ist es, dass sie ermöglicht, Elemente des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers vor dem Einbau in das Wandler-Gehäuse als Baugruppe vorab zusammen zu montieren. Die vorgeschlagene vorfertigbare Baugruppe weist ein Abdeckmittel zum Verschließen eines zur Aufnahme eines Piezo-Element vorgesehenen Hohlraumes des Ultraschall-Wandlers auf, wobei das Abdeckmittel erfindungsgemäße elektrische Leiter umfasst, welche das Abdeckmittel durchkontaktieren und wobei die Baugruppe ein Piezo-Element aufweist, welches mit den elektrischen Leitern verbunden ist und wobei zwischen dem Piezo-Element und dem Abdeckmittel ein Feder-Element angeordnet ist. Diese Baugruppe wird vorzugsweise schon außerhalb des Ultraschall-Wandlers zusammengebaut, da so ein Zugang von allen Seiten leicht möglich ist. Insbesondere sind das Piezo-Element und das Abdeckmittel auf diese Weise leicht zugänglich und können ohne Behinderung miteinander verbunden werden. Die vorgefertigte Baugruppe muss dann nur noch mit der externen Schnittstelle des Ultraschall-Wandlers verbunden werden. Die hierfür vorgesehenen Kontaktstellen des Abdeckmittels sind selbst nach der Positionierung der Baugruppe noch leicht zugänglich. Der Zusammenbau des Ultraschall-Wandlers wird hierdurch deutlich vereinfacht.
Vorzugsweise sind zumindest die an der dem Piezo-Element abgewandten Seite des Abdeckmittels angeordnete Kontaktstellen der Leiterbahnen als Lötflächen ausgebildet. Die Ausbildung der Kontaktstellen als Lötflächen, sogenannte Lötpads, erleichtert zusätzlich das Kontaktieren der Kabel und beschleunigen somit den Zusammenbau des Ultraschall-Wandlers noch mehr.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Abdeckmittel zumindest ein elektrisches bzw. elektronisches Bauelement. Dies ermöglicht es, ein solches Bauelement in der Verbindung von Piezo-Element und externer Schnittstelle des Ultraschall-Wandlers vorzusehen, ohne dass es erst aufwendig in die Verbindung zwischengeschaltet werden muss. Das Bauelement kann schon im Vorfeld der Montage mit der Leiterbahn des Abdeckmittels verbunden werden, beim Zusammenbau des Ultraschall-Wandlers sind so außer den Kontaktierungen des ersten und des zweiten Kabels keine zusätzlichen Anschlüsse erforderlich.
Vorzugsweise umfasst das Abdeckmittel zumindest eine Induktivität zur Impedanzanpassung des Piezo-Elements. Eine Impedanzanpassung ist wie beschrieben regelmäßig erforderlich. Ist die Platine bereits mit der in die Leiterbahn eingefügten Induktivität bestückt, kann auf die ansonsten während der Kontaktierung durchzuführende freihändige Verdrahtung der Spule verzichtet werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Abdeckmittel ein aktives elektronisches Bauelement umfasst, beispielsweise eine Sensorerkennung, die das im Ultraschall- Wandler verwendete Piezo-Element ausliest.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Ultraschall-Wandler ein Abdeckmittel auf, das in dem Wandler-Gehäuse mittels eines Bajonettverschlusses gehalten wird. Ein wesentlicher Grundgedanke dieses Aspekts der Erfindung ist es, die Verbindung zwischen Abdeckmittel und Wandler-Gehäuse selbsthaltend auszubilden. Die dazu vorgeschlagene Steck-Dreh-Verbindung ermöglicht auf an sich bekannte Weise eine formschlüssige Verbindung der beiden Teile.
Das Abdeckmittel wird mit dem Verschließen des Bajonett-Verschlusses in der gewünschten, den Hohlraum abdeckenden Position fixiert. Das zwischen Abdeckmittel und Piezo-Element angeordnete Feder-Element unterstützt dabei das Abdichten des Hohlraums zusätzlich. Die von dem Feder-Element auf das Piezo- Element ausgeübte Federkraft drückt in Gegenrichtung das Abdeckmittel gegen den gehäuseseitigen Teil des Bajonett-Verschlusses und dichtet den Hohlraum ab. Die so erreichte formschlüssige Verbindung ermöglicht, auf den bisher erforderliche zusätzlichen Arbeitsschritt der Verklebung des Abdeckmittels am Gehäuse zu verzichten. Damit muss das Abdeckmittel damit auch nicht mehr in Position gehalten werden, wie es bisher zum Verkleben erforderlich war. Der Zusammenbau des Ultraschall-Wandlers wird so wesentlich erleichtert.
Die konkrete Ausgestaltung des Bajonett-Prinzips, also wie das Abdeckmittel in das Gehäuse eingesetzt wird und mittels einer Verdrehung zwischen Abdeckmittel und Wandler-Gehäuse in eine Position bewegt wird, in der es formschlüssig am Gehäuse gehalten wird, kann ohne besondere Schwierigkeiten an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden.
Vorzugsweise umfasst der Bajonettverschluss einen Gewindegang. Der Gewindegang ermöglicht durch das Verdrehen ein Gegeneinanderführen des gehäuseseitigen Teil und des abdeckmittelseitigen Teils des Bajonettverschluss bis zur vollständigen Anlage. Die beiden Verschlussteile werden somit beim Verdrehen entlang des Gewindegangs gegeneinander gepresst, wodurch die Abdichtung des Hohlraums weiter verbessert wird.
Beim Zusammenbau wird das Piezo-Element und das Abdeckmittel miteinander verbunden. Das Piezo-Element wird durch das Feder-Element sozusagen vorgespannt. Die Baugruppe wird dann mittels des Bajonett-Verschlusses am Gehäuse des Ultraschall-Wandlers befestigt, wobei das Piezo-Element von dem Feder-Element gegen die Innenseite des Gehäuses gedrückt wird. Nach dem Schließen des Bajonettverschlusses ist das Piezo-Element an der vorgesehenen Position, gleichzeitig ist der Hohlraum dicht verschlossen. Vor dem abschließenden Vergießen müssen nur noch die Kontakte an der dem Hohlraum abgewandten Seite der Platine mit den elektrischen oder elektronischen Schnittstellen des Ultraschall- Wandlers verbunden werden. Dannt ist das Piezo-Element über die das Abdeckmittel durchkontaktierenden Leiterbahnen mit den am Gehäuse angeordneten Anschlüssen des Ultraschallwandlers verbunden.
Als alternative Befestigungsart wird das Abdeckmittel mit dem Gehäuse verschweißt, insbesondere per Ultraschallschweißen. Diese Befestigungsform per Stoffschluss dichtet den Hohlraum besonders gut ab.
Ganz grundsätzlich kann die Befestigungsart des Abdeckmittels auch losgelöst von der Ausbildung des Abdeckmittels mit es durchkontaktierende Leiterbahnen betrachtet werden. Die beschriebenen Vorteile der Befestigungsarten Bajonettverschluss oder Ultraschallschweißen lassen sich auch unabhängig von der Ausbildung des Abdeckmittels als Platine realisieren. Die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 1 1 sind somit hierfür nicht zwingend erforderlich.
Im weiteren werden zwei besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand zweier Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 : Eine schematische Darstellung eines zusammengesetzten Ultraschall- Wandlers mit einer Abdeckplatte in Form einer Platine und Figur 2: Eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Wandlers mit einer Abdeckplatte in Form einer Platine, die mittels eines Bajonett-Verschlusses im Gehäuse gehalten wird.
Der von Figur 1 gezeigte Ultraschall-Wandler 1 weist ein Gehäuse 2 und einen an dem Gehäuse 2 befestigten Anschluss 3 für eine hier nicht gezeigte Kabelverbindung zum Anschluss des Ultraschall-Wandlers 1 an ein Steuergerät auf. In dem in teilgeöffneter Darstellung gezeigten Gehäuse 2 ist in einem Hohlraum 4 ein Piezo- Element 5 angeordnet. Das Piezo-Element 5 wird von einer Feder 6 beaufschlagt, die es gegen eine Wandung 7 des Hohlraums 4 drückt. Das dem Piezo-Element 5 entgegengesetzte Ende der Feder 6 liegt an einem den Hohlraum 4 abdeckenden Abdeckmittel 8 an. Das Abdeckmittel ist durch hier nicht gezeigte Haltemittel am Gehäuse 2 befestigt und dichtet den Hohlraum gegen das Eindringen von Vergussmasse ab.
Das Abdeckmittel 8 weist es durchkontaktierende Leiterbahnen auf und ist damit platinenartig ausgebildet. An der dem Hohlraum 4 zugewandten Seite des Abdeckmittels 8 sind Leiterbahnen über Kabel 9 mit dem Piezo-Element 5 verbunden. Dabei durchlaufen die Kabel 9 die in Form einer Spiralfeder ausgebildete Feder 6. Das Abdeckmittel 8, die Feder 6 und das über die Kabel 9 mit dem Abdeckmittel 8 verbundene Piezo-Element 5 bilden eine Baugruppe. Die Baugruppe kann außerhalb des Gehäuses 2 vorgefertigt werden und nach ihrem Zusammenbau in das Wandler-Gehäuse 2 eingesetzt werden.
Aufgrund der Leiterbahnen benötigt das Abdeckmittel 8 keine Öffnung für das Piezo- Element 5 nach außen kontaktierende Kabel. Es ist in sich geschlossen ausgebildet. Seine dem Hohlraum 4 abgewandte Fläche 10 weist somit keine Durchbrüche auf, durch die Vergussmasse in den Hohlraum 4 eindringen könnte. An der Fläche 10 sind Lötpads vorgesehen, über die Kabel 1 1 mit den das Piezo-Element 5 durchkontaktierenden Leiterbahnen verbunden sind. Die Kabel 1 1 verlaufen durch das Gehäuse 2 bis zum Anschluss 3, über den das Piezo-Element 5 an ein Steuergerät angeschlossen werden kann. Die Figur 2 zeigt einen weiteren teilgeöffneten Ultraschall-Wandler 1 , bei dem das Haltemittel des Abdeckmittels 8 ein Bajonett- Verschluss 12 ist. Das kreisförmig ausgebildete Abdeckmittel 8 weist an seinem Umfang zwei vorstehende Zapfen auf, die in Schlitze 13 eingesetzt werden, die zueinander um 180 Grad versetzt an einer ebenfalls kreisförmig ausgebildeten Öffnung des Gehäuses 2 über dem Hohlraum 4 angeordnet sind. An die Schlitze 13 schließt ein dazu quer ausgebildeter Seitenschlitz an, in dem die Zapfen durch Verdrehen des Abdeckmittels 8 eingeschoben werden. Die im Querschlitz aufgenommene, hier gestrichelt dargestellten Zapfen 14 hinterschneiden den Längsschlitz 13 und sichern so das Abdeckmittel 8 in seiner Position über dem Hohlraum 4, so dass es den Hohlraum gegen in das Gehäuse eingegebene Vergussmasse abdichten kann. Die Kabel 1 1 sind mit ausreichend Spiel ausgestattet, so dass sie das Verdrehen des Abdeckmittels 8 nicht behindern.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschall-Wandler (1), umfassend ein Gehäuse (2) und ein Piezo- Element (5), wobei das Piezo-Element (5) in einem Hohlraum (4) des Gehäuses eingesetzt ist, wobei im Gehäuse (2) ein Abdeckmittel (8) angeordnet ist, welches den Hohlraum (4) abdeckt und wobei zwischen dem Abdeckmittel (8) und dem Piezo-Element (5) ein Feder-Element (6) angeordnet ist, welche das Piezo-Element (5) mit einer Federkraft beaufschlagt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) mehrere das Abdeckmittel (8) durchkontaktierende Leiterbahnen aufweist.
2. Ultraschall-Wandler nach einem der Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der dem Piezo-Element (5) abgewandten Seite des Abdeckmittels (8) angeordnete Kontaktstellen der durchkontaktierenden Leiterbahnen als Lötflächen ausgebildet sind.
3. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) zumindest ein elektrisches Bauelement umfasst.
4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) zumindest eine Induktivität zur Impedanzanpassung des Piezo-Elements (5) umfasst.
5. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) eine Sensorerkennung umfasst.
6. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) in dem Gehäuse (2) mittels eines Bajonettverschlusses (12) gehalten wird.
7. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bajonettverschluss (12) einen Gewindegang aufweist.
8. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) mit dem Gehäuse (2) verschweißt ist.
9. Baugruppe zum Einsetzen in das Gehäuse eines Ultraschall-Wandlers (1), insbesondere einens Ultraschall-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baugruppe ein Abdeckmittel (8) zum Verschließen eines zur Aufnahme eines Piezo-Element (5) vorgesehenen Hohlraumes (4) des Ultraschall-Wandlers (1) aufweist, wobei das Abdeckmittel (8) elektrische Leiter umfasst, welche das Abdeckmittel (8) durchkontaktieren und wobei die Baugruppe ein Piezo-Element (5) aufweist, welches mit den elektrischen Leitern verbunden ist und wobei zwischen dem Piezo- Element (5) und dem Abdeckmittel (8) ein Feder-Element (6) angeordnet ist.
10. Baugruppe nach Anspruch 9
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) zumindest ein elektrisches Bauelement umfasst.
11. Verfahren zum Zusammenbau eines Ultraschall-Wandlers (1), insbesondere eines Ultraschall-Wandlers gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (2) des Ultraschall- Wandlers (1) ein Hohlraum (4) angeordnet ist, in den ein Piezo-Element (5) eingesetzt wird und wobei der Hohlraum (4) nach dem Einsetzen mit einem Abdeckmittel (8) verschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Piezo-Element (5) mit Leiterbahnen verbunden wird, welche das Abdeckmittel (8) durchkontaktieren.
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8), das Feder-Element (6) und das mit dem Abdeckmittel (8) verbundene Piezo-Element (5) als Baugruppe in das Gehäuse eingesetzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) in das Gehäuse (2) eingesetzt wird und mittels einer Drehbewegung in eine Position bewegt wird, in der es formschlüssig am Gehäuse gehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehbewegung entlang eines Gewindegangs erfolgt, so dass das Abdeckmittel (8) und das Gehäuse (2) beim Verdrehen gegeneinander gepresst werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckmittel (8) in das Gehäuse (2) eingesetzt wird und mittels Ultraschallschweißen mit dem Gehäuse (2) verbunden wird.
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