JP5496350B2 - 流体媒体に使用するための超音波変換器 - Google Patents

Description

従来技術からは、流体媒体に使用するための種々の種類の超音波変換器が公知である。超音波変換器とは、一般的に、超音波信号を流体媒体内に送信することができる、及び／又は、超音波信号を流体媒体から受信し、例えば電気信号に変換することができる素子であると解される。その種の超音波変換器は例えば、例えばプロセス工学及び／又は自動車分野における超音波流量測定、特に内燃機関の吸気管及び／又は排気管における流れ測定器（超音波流量計；ＵＦＭ（Ultrasonic Flow Meter））に使用される。その種の超音波変換器の例は、DE 10 2007 010 500 A1，DE 10 2007 037 088 A1又は後に公開される出願番号DE 10 2008 055 126.0の本出願人の会社から出願されたドイツ特許明細書から公知である。そこに記載されている超音波変換器を基本的には本発明の範囲においても使用することができ、また本発明により修正することができる。

超音波変換器は、通常の場合、少なくとも一つの電気音響素子、例えば圧電変換素子を有している。しかしながら、特に空気又は他の気体中での流量測定では、電気音響変換素子の材料と空気との間の高い音響的なインピーダンス差が記録され、これによって、電気音響変換素子と気体との間での超音波信号の結合時に高い結合損失が生じるという問題が生じる。例えば、流量測定時に変換器信号から内燃機関のシステム制御内で空気量信号が導出される場合には、信号振幅が相応に弱くなる可能性がある。従って、例えば金属ダイヤフラム又はλ／４インピーダンス整合層のような、音波を送信する共振体または整合体を備えている超音波変換器が公知である。基本的には幾何学的に任意に構成することができるその種のインピーダンス整合層は例えば、従来技術の上述の文献から公知である。

公知の超音波変換器では、通常の場合、変換器コアが収容されているケーシングが使用される。流体媒体に割り当てられている側においてこのケーシングは開口部を有しており、この開口部内に変換器コアの放射面が配置されており、この放射面を介して超音波信号が送信又は受信される。ケーシングの内部空間を流体媒体に対して媒体密及び／又は気密に閉鎖するために、DE 10 2008 055 126.0からは、その開口部を完全に又は部分的にシーリングフィルムによって覆うことが公知である。しかしながらこの場合には、シーリングフィルムの縁部において従来通りに媒体がケーシングの内部空間に侵入する可能性があり、これによって例えば内燃機関における流量測定時に不利な兆候が顕著に現れるという技術的な問題が生じる。

発明の概要
従って、公知の超音波変換器及びセンサ装置の欠点を少なくとも十分に回避する、流体媒体に使用するための超音波変換器及びセンサ装置が提案される。流体媒体として特に気体、例えば空気又は排気ガスが考えられる。従って、超音波変換器及びセンサ装置を特に超音波流量計（ＵＦＭ）に使用することができ、例えば自動車の内燃機関における超音波流量計に使用することができる。代替的な適用分野は、例えばプロセス工学における、特にプロセス制御のためのプロセス工学における気体又は液体のためのセンサ、例えば化学及び／又は製薬産業における距離センサ、充填状態センサ又は流量センサとしてのセンサである。他の使用分野は医療技術、例えば呼吸気監視のための医療技術、又は、エネルギ技術、例えばヒートメータとしてのエネルギ技術である。

本発明により提案される超音波変換器は、少なくとも一つの内部空間を備えている少なくとも一つのケーシングを含んでいる。ケーシングとは、超音波変換器自体の外側の形状を規定することができ、且つ、超音波変換器を少なくとも部分的に機械的な負荷から保護することができる、少なくとも部分的に閉じられている素子であると解される。ケーシングを例えば、下記において更に詳細に説明するように、完全に又は部分的にプラスチック材料、例えばサーモプラスチック材料及び／又は金属性の材料から製造することができる。

内部空間（複数の内部空間が設けられていても良い）とは、一般的に、少なくとも部分的に閉鎖されており、且つ、少なくとも部分的にケーシング内に配置されている空間であると解される。この内部空間を例えば、下記において更に詳細に説明するように、少なくとも近似的に円筒状に構成することができる。

更には、超音波変換器は、少なくとも一つの電気音響変換素子を備えており、且つ、内部空間に収容されている少なくとも一つの変換器コアを含んでいる。電気音響変換素子とは、基本的に、電気信号を音響信号、特に超音波信号に変換するため、又は、音響信号、特に超音波信号を電気信号に変換するために構成されている任意の素子であると解される。例えば、この電気音響変換素子は少なくとも一つの圧電変換素子を含むことができる。従って、電気音響変換素子の更に考えられる構成を制限することなく、以下では、「ピエゾ」という概念又は「圧電変換素子」という概念又は「圧電セラミックス」という概念は、電気音響変換素子と同義のものとしても使用される。しかしながら択一的又は付加的に、電気音響変換素子は前述の機能の他の素子も含むことができる。

少なくとも一つの電気音響変換素子の他に、変換器コアは別の素子を含むことができる。特に変換器コアは、下記において更に詳細に説明するように、電気音響変換素子と流体媒体との間の音響的な結合を改善するために構成されている少なくとも一つの整合体を含むことができる。特に、整合体としてインピーダンス整合体が考えられる。最適には、このインピーダンス整合体は、電気音響変換素子の音響的なインピーダンスと流体媒体の音響的なインピーダンスとの間にあり、理想的にはそれらの音響的なインピーダンスの幾何学的な中心近傍にある、音響的なインピーダンスを有している。実際の超音波変換器、特に気体状態の媒体では、別の音響的なインピーダンス、大抵の場合はより高い音響的なインピーダンスを有している整合体も使用される。整合体は、種々の音響的なインピーダンスを有している複数の材料及び／又は音響的なインピーダンス勾配を有している材料も含むことができる。例えば整合層として構成することができるその種の整合体の考えられる構成に関しては、上記において既に言及した刊行物DE 10 2007 010 500 A1，DE 10 2007 037 088 A1及びDE 10 2008 055 126.0を参照されたい。そこにおいて使用されている整合体を基本的には、本発明の範囲においても使用することができる。更には、変換器コアは別の素子を含むことができる。例えば、オプションとしての整合体と電気音響的な変換素子との間には少なくとも一つの補償調整体、特に少なくとも一つの補償調整層を設けることができる。その種の補償調整体は例えば、電気音響変換素子及び整合体の異なる熱膨張係数に起因する熱機械的な応力の形成を阻止することができる。これは例えば、電気音響変換素子の熱膨張係数と整合体の熱膨張係数の間にある熱膨張係数がこの補償調整体に関して選択されることによって行われる。例えば、この補償調整体は少なくとも一つの接着層を含むことができる。しかしながら、別の構成も基本的には可能である。

変換器コアは例えば少なくとも一つの放射面を有することができる。放射面とは、基本的には、音響的な信号を変換器コアから流体媒体に送信することができる、及び／又は、流体媒体からの音響的な信号を変換器コアによって受信することができる任意の面であると解される。この少なくとも一つの放射面を流体媒体に割り当てることができ、また、例えばケーシングの開口部内に配置することができる。つまり、ケーシングは例えば、流体媒体に割り当てられている少なくとも一つの開口部、例えばケーシングのケーシング縁部によって完全に又は部分的に包囲される開口部を有することができる。この開口部内に放射面を配置することができ、この放射面は有利にはケーシング縁部と同一の平面内に配置されている。別の構成、例えば、放射面がケーシングのケーシング縁部と同一の平面内に配置されていない構成も可能である。

例えば、円形又は多角形に構成することができる、ケーシングの少なくとも一つの開口部は少なくとも一つのシーリングフィルムによって少なくとも部分的に、有利には完全に覆われる。ここでシーリングフィルムとは、基本的に、流体媒体の影響、例えば圧力の影響及び／又は化学的な影響を少なくとも部分的に内部空間によって遮断するために構成されている任意のフィルム状の素子であると解される。フィルム状の素子とは、素子の横方向の伸長が少なくとも係数１０、有利には少なくとも係数１００又は少なくとも係数１０００だけ素子の厚さを上回る素子であると解される。シーリングフィルムは例えばプラスチック及び／又は金属性のフィルム及び／又はセラミックフィルムを含むことができる。例えば、シーリングフィルムはサーモプラスチック材料又は熱硬化性材料を含むことができる。個別に使用することができるか、又は組み合わせて使用することができる材料として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（特にKapton^(R)）、液晶ポリマー（ＬＣＰ；Liquid Crystal Polymer）、例えばテフロンもしくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ化炭素、又は、例えばペルフルオロエチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）又は他のプラスチックが考えられる。前述の材料及び／又は他の材料の組み合わせも使用することができる。択一的又は付加的に、薄い金属フィルムも使用することができる。更には、複合材料、例えば複数のフィルム層等を用いる材料も使用することができる。更には、少なくとも一つのその種のフィルム層を、例えば金属材料、セラミック材料又はプラスチック材料から成るコーティングとして設けることができる。シーリングフィルムは更に接着層も一緒に含むことができ、この接着層によって、特に封止材料に依存せずに、ケーシングとの力結合又は素材結合による結合が達成される。

その限りにおいて、本発明による超音波変換器を、差し当たり例えば、後に公開されるドイツ特許明細書DE 10 2008 055 126.0に記載されているものと同様に構成することができる。しかしながら、上記の明細書に記載されている超音波変換器とは異なり、また、上記の明細書において指摘されている気密性の問題の解決手段とは異なり、本発明によれば、シーリングフィルムの縁部を少なくとも一つの封止材料によって封止することが提案される。シーリングフィルムの縁部とは、シーリングフィルムの境界部、即ち、シーリングフィルムの横方向の延在部の境界部であると解される。しかしながら、縁部がこの境界部を越えて少なくとも一つの封止材料によって覆われることも考えられる。封止材料とは、変形可能な状態で、例えば液体の状態、粘性のある液体の状態又は他の変形可能な状態でシーリングフィルムに被着させることができる、基本的に任意の材料であると解される。従って、封止材料をシーリングフィルムの縁部の形状に適合させることができる。特に、シーリング材料を完全に又は部分的に、ケーシングとシーリングフィルムの縁部との間の中間空間内に侵入させることができる、及び／又は、シーリング材料はシーリングフィルムの縁部とケーシングとの間の隙間を閉鎖することができる。封止とは、一般的に、内部空間が封止材料によって少なくとも部分的に流体媒体の影響、例えば化学的な影響及び／又は圧力の影響から保護されている状態であると解される。

封止材料は特に少なくとも一つの接着剤を含むことができる。特に、封止材料はエポキシド及び／又は熱揺変性の接着剤を含むことができる。封止材料を例えば少なくとも部分的にビード状に構成することができ、特に接着ビードとして構成することができる。つまり、封止材料を接着ビードとして、シーリングフィルムの縁部を包囲するように、又は少なくとも部分的に包囲するように被着させることができる。

ケーシングは特に、流体媒体に割り当てられている、少なくとも部分的に開口部の周囲を包囲するケーシング縁部を有することができる。シーリングフィルムを少なくとも部分的にケーシング縁部に載置させることができ、有利には、シーリングフィルムの縁部もケーシング縁部に載置させることができる。載置とは直接的な載置、しかしながらまた間接的な載置であると解され、間接的な載置とは例えば、シーリングフィルムとケーシング縁部との間に挿入することができ、またシーリングフィルムとケーシング縁部との間の結合部を形成することができる、少なくとも一つの付加的な接着層及び／又は少なくとも一つの接着ラミネートを介するものである。

例えば、シーリングフィルムを素材結合及び／又は力結合及び／又は形状結合によりケーシング縁部と結合させることができる。付加的に、上記においても述べたように、シーリングフィルムの縁部は少なくとも一つの封止材料によって封止され、有利にはシーリングフィルムとケーシング縁部との間の隙間及び／又は中間空間が封止される。

ケーシング縁部は例えば平坦な鍔又は折り曲げられた鍔を含むことができる。シーリングフィルムはケーシング縁部の経過に従うことができ、例えば平坦に構成することができるか、又は折り曲げて構成することができる。シーリングフィルムの縁部を例えば実質的にケーシングのケーシング縁部と一緒に終端させることができるので、シーリングフィルムの縁部は少なくとも実質的にはケーシング縁部を超えて側方に張り出していない、即ち、特に１ｍｍを超えて側方に張り出していない。この場合には、例えば少なくとも一つの封止材料をシーリングフィルムの縁部及びケーシングのケーシング縁部乃至ケーシング縁部の角に同時に被着させることができる。

ケーシングをワンピースで構成することができるが、マルチピースで構成することもできる。ケーシングがマルチピースで構成されている場合には、このケーシングは例えば少なくとも一つの第１のケーシング部及び少なくとも一つの第２のケーシング部を含むことができ、この場合には、封止材料が同時に、第１のケーシング部と第２のケーシング部との間の素材結合による結合部を形成することができる。付加的に、オプションとして、第１のケーシング部及び第２のケーシング部を少なくとも一つの別の結合部によって相互に結合させることができ、この別の結合部は基本的に例えば素材結合及び／又は力結合及び／又は形状結合のようなもので良い。第１のケーシング部と第２のケーシング部との間の超音波溶接又は係止が特に有利である。

上述の構成の内の一つ又は複数の構成の超音波変換器の他に、更にセンサ装置が提案される。特にこのセンサ装置を、流体媒体の少なくとも一つの特性を検出するため、例えば充填状態及び／又は体積流及び／又は流体媒体の流量を検出するために構成することができる。別の構成も考えられる。センサ装置は、上述の構成の内の一つ又は複数の構成による少なくとも一つの超音波変換器を含んでいる。例えば、センサ装置は、伝播時間測定を介して流体媒体の流れを推量するために、二つ又はそれ以上の超音波変換器を含むことができる。この種のセンサ装置は基本的に従来技術から公知である。更には、センサ装置は少なくとも一つのセンサケーシングを含んでおり、超音波変換器はセンサケーシングと結合されている。

超音波変換器とセンサケーシングとの間の結合部を形成するために、例えば、ここでもまた力結合及び／又は形状結合及び／又は素材結合による結合部を使用することができる。例えば、超音波変換器をそのケーシングと共にセンサケーシング内に接着させることができるか、センサケーシング上に接着させることができる。特に有利には、超音波変換器の封止材料が二重機能で使用され、同時に、超音波変換器とセンサ装置のケーシング素子との間の素材結合による結合部も生じさせる。

上述のセンサ装置においては、封止材料がセンサ装置、例えば流体媒体に割り当てられているケーシング縁部から突出せず、又は僅かな量しか突出しないように封止材料を形成することができる。特に、センサケーシング及び／又は超音波変換器のケーシングを、封止材料が少なくとも一つの凹部内に収容されているように構成することができる。この凹部を完全に又は部分的にセンサケーシング内に配置することができる、及び／又は、完全に又は部分的にケーシング内に配置することができる、及び／又は、ケーシングとセンサケーシングとの間に配置することができる。例えば、この凹部は溝、特に環状の溝を含むことができる。この環状の溝内に封止材料を収容することができる。従って、例えば、シーリングフィルムの縁部を少なくとも一つの凹部へと折り曲げ、そこにおいて少なくとも一つの封止材料によって封止することができる。

センサケーシングは特に少なくとも一つの収容部を有することができる。超音波変換器のケーシングを少なくとも部分的にこの収容部内に収容することができる。例えば、収容部はセンサケーシングにおいて円筒状の形状を有することができ、特に円筒状の凹部を有することができる。ケーシングは、センサケーシングに流体媒体による圧力負荷が掛けられた際に、シーリングフィルム及び／又は封止材料への引張負荷が実質的に生じないように収容部内に収容されている。この収容は例えば、上述のように、封止材料及び／又はシーリングフィルムの縁部が少なくとも部分的に少なくとも一つの凹部、例えば環状の溝内に収容されるように行われる。つまり例えば、ケーシングの鍔が設けられており、シーリングフィルムの縁部及び／又は封止材料は鍔の上又は鍔に接触して配置されており、鍔は例えばセンサケーシングの凹部においてセンサケーシングに接触している。流体媒体による背圧が掛けられた際には鍔がセンサケーシングに押し付けられるので、シーリングフィルムの縁部及び／又は封止材料、例えば接着部の引張負荷が生じない、又は僅かな引張負荷しか生じない。しかしながら僅かな引張負荷は甘受することができる。つまり例えば、純粋に物理的に考察すると、例えば超音波変換器の内部が僅かに撓む場合、及び／又は、有限の高さのＥモジュールを有する場合、特に、シーリングフィルムが緊張されているか、又は少なくとも完全に真っ直ぐに載置される場合には、センサ装置に圧力負荷が掛けられた際に常に引張負荷がシーリングフィルムに掛けられることが考えられる。しかしながら、この種の負荷はある程度は容認することができ、「実質的に引張負荷は掛けられていない」として容認することができる。

本発明により提案される超音波変換器及び本発明により提案されるセンサ装置は、公知の超音波変換器及びセンサ装置に比べて多数の利点を有している。特に、このようにして、媒体に対して密な超音波変換器が提供され、その種の超音波変換器を特に内燃機関及び／又は他の攻撃的な環境における流れ測定に使用することができる。上述のシーリングフィルム及び／又は封止部が無ければ、超音波変換器の内部空間は例えば超音波変換器における減衰又は固体伝播音の分離、時として攻撃的な流体媒体、例えば自動車の吸気管内の媒体、例えば湿気、オイル、排気ガス成分、炭化水素、酸又は同様の攻撃的な媒体に晒されることになる。しかしながら、変換器コアをケーシングから分離させるためには、通常の場合、軟らかいシリコーンが必要とされるが、そのような軟らかいシリコーンはそれらの媒体に対して耐性が低い。

しかしながらシーリングフィルムのみでは、通常の場合、比較的高い負荷に晒され、特に圧力変動及び／又は温度変動に起因する比較的高い負荷に晒されることになる。この負荷は特に超音波変換器における材料、例えばプラスチック材料の熱膨張に起因する。従って、従来の構造におけるシーリングフィルムでは、縁部において媒体が容易に侵入することが考えられる。これに対して、フィルム縁部を封止することによって、超音波変換器は機械的に安定し、またその気密性に関して安定する。

更には、上述の超音波変換器の製造も容易に実施することができる。少なくとも一つの封止材料を、センサケーシングにおける超音波変換器の固定及び／又はセンサケーシングに対する超音波変換器シーリングにも同時に使用することができる。封止部と固定部及び／又はシーリング部を同時に形成することは製造におけるプロセスシーケンスを著しく簡略化する。

本発明の実施例は図面に示されており、それらの実施例を以下において詳細に説明する。

従来の超音波変換器の実施例を示す。 本発明による超音波変換器及び本発明によるセンサ装置の実施例を示す。 本発明による超音波変換器及び本発明によるセンサ装置の実施例を示す。 本発明による超音波変換器及び本発明によるセンサ装置の別の実施例を示す。 本発明による超音波変換器及び本発明によるセンサ装置の別の実施例を示す。 マルチピースのケーシングを備えている超音波変換器の実施例を示す。 マルチピースのケーシングを備えている超音波変換器の実施例を示す。 マルチピースのケーシングを備えている超音波変換器の実施例を示す。

図１には、従来技術に対応する、超音波変換器１１０の実施例が断面図で示されている。音波変換器１１０は、例えば、DE 10 2008 055 126.0に開示されている超音波変換器に実質的に対応している。しかしながら別の構成も考えられる。超音波変換器１１０はケーシング１１２を含んでおり、このケーシング１１２は図示されている実施例においては部分的にしか示されていない。このケーシング１１２は実質的にスリーブ状に構成されており、また内部空間１１４を有している。この内部空間１１４もまた、流体媒体１１６に割り当てられている側に開口部１１８を有しており、この開口部１１８は例えば円形又は多角形の断面を有することができる。この開口部１１８はケーシング縁部１２０によってリング状に包囲されており、このケーシング縁部１２０は、図示されている実施例においては、後方に、即ち流体媒体１１６から離れる方向に折り曲げられている。

図示されている実施例において、内部空間１１４内には変換器コア１２２が収容されており、例えば、超音波変換器１１０の軸１２４と同心で収容されている。変換器コア１２２は電気音響変換素子１２６、例えば圧電変換素子を含んでいる。更に、変換器コア１２２は流体媒体１１６に割り当てられている側に整合体１２８を含んでおり、この整合体１２８は、上述したように、変換器コア１２２及び／又は電気音響変換素子１２６と流体媒体１１６との間の音響的な結合の改善に使用される。例えばλ／４インピーダンス整合層として構成することができる整合体１２８の考えられる構成に関しては、DE 10 2007 037 088 A1，DE 10 2007 010 500 A1又はDE 10 2008 055 126.0を参照されたい。別の構成も考えられる。任意の整合体１２８と電気音響変換素子１２６との間に別の素子、例えば、熱膨張係数を整合させるための補償層を収容することができる。更には、変換器コア１２２は付加的な素子を含むことができる。

変換器コア１２２とケーシング１１２との間に中間空間１３０を設けることができる。この中間空間１３０を、図１に示されているように、完全に又は部分的に分離素子１３２で充填することができる。この分離素子１３２は、ケーシング１１２と変換器コア１２２との間の個体伝播音の伝達の減衰に使用される。この個体伝播音の伝達は、複数の超音波変換器１１０間の寄生的な超音波経路を生じさせる可能性がある。この種の分離素子１３２の例は、シリコーン材料を用いる分離素子である。分離素子１３２を例えば注型材料部として構成することができるか、又は、完全に又は部分的に挿入部として構成することができる。更にはオプションとして、図示されている実施例においては、変換器コア１２２の背面側に減衰材料１３４が設けられている。この減衰材料１３４を例えば減衰注型材料として背面側からケーシング１１２に挿入することができ、また、この減衰材料１３４は変換器コア１２２の減衰特性の加速に使用される。

流体媒体１１６に割り当てられている側において、変換器コア１２２は放射面１３６を有しており、即ち、超音波信号を流体媒体１１６に送信することができる、及び／又は、超音波信号を流体媒体から受信することができる面を有している。この放射面１３６は図示されている実施例において、ケーシング縁部１２０の端面１３８を有する平面に配置されている。分離素子１３２も有利にはこの平面において終端している。超音波変換器１１０の流体媒体１１６に割り当てられている面全体は、図示されている実施例において、開口部１１８を覆うシーリングフィルム１４２の形態のシーリング素子１４０によって覆われている。シーリングフィルム１４２を例えば、放射面１３６及び／又はケーシング縁部１２０と接着させることができる。

図１による超音波変換器１１０は仮想の超音波変換器であり、この仮想の超音波変換器を本発明の基礎とすることができるが、本発明に従い構成されたものはまだ市販されておらず、それ以外の点については公知又は周知である。しかしながら図１による超音波変換器１１０を、下記において詳細に説明するように、種々のやり方で本発明により修正することができる。つまり、図１による超音波変換器１１０を多くの点に関して変更することができる。例えば、整合体１２８をこれとは異なるように構成することができ、また特に、整合体１２８は中空部が設けられている材料を有するインピーダンス整合層を含むことができ、例えば多孔性のセラミック、発泡プラスチック、特に熱硬化性プラスチック又はサーモプラスト、もしくは一般的にポリマー、又は一般的に中空体を備えているプラスチックを含むことができる。中空体として、特に、プラスチック中空体又はガラス中空体、有利にはガラス中空球が考えられる。プラスチックが基本材料として使用される場合には、例えばガラス中空球で満たされているエポキシ材料を使用することができる。択一的に、ポリイミドが考えられ、例えば、発泡ポリイミド及び／又は焼結ポリイミド又は多孔性のポリイミド、例えばDuPont社のKapton^(R)又はVespel^(R)が考えられる。整合体１２８は別の材料又は領域を包含することができ、それらの材料又は領域は例えば、電気音響変換素子１２６、例えばピエゾから流体媒体１１６、例えば空気への複数のステップでのインピーダンス整合を実現するか、又は、熱膨張特性、可撓性、又は、電圧を形成する能力に関して、変換器コア１２２の結合体全体、また特に電気音響的な変換素子を応力から保護するために使用することができる。

択一的に、変換器コア１２２又はこの変換器コア１２２の入力結合構造群は、別の種類の音波放射共振体又は整合体、例えば金属ダイヤフラム又は金属ダイヤフラムを備えている金属体を含むことができる。この場合には、例えば圧電素子の振幅は小さいが力の大きい半径方向運動又は曲げ運動の、空気又は他の気体における入力結合に必要であるような、力は小さいが振幅が大きい振動運動への変換を介するインピーダンス整合を行うことができる。変換器コア１２２、即ち、例えば圧電セラミックス及び入力結合構造群は分離素子１３２を介してケーシング１１２内に固定されている。分離素子１３２を有利にはシリコーン状に構成することができる。分離素子１３２は粒子又は中空部又は中空体で充填されている材料を含むことができ、例えば同様にシリコーン材料を含むことができる。ケーシング１１２自体を例えばプラスチック材料及び／又は金属材料から製造することができる。流体媒体１１６の方向において、シーリングフィルム１４２は超音波変換器１１０を閉鎖する。上述したように、このシーリングフィルム１４２に関しては基本的に複数の材料、例えばＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ポリイミド（例えばKapton^(R)）、ＬＣＰ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＥＮ又は他のプラスチック又は薄い金属フィルム、又は、金属性、セラミック性もしくはプラスチックのようなコーティングが施されたフィルム、接着層を有するフィルム、又は、上述の材料及び／又は他の材料の組み合わせが考慮される。シーリングフィルム１４２は有利には１００μｍ未満の厚さ、特に有利には２５μｍ未満の厚さを有している。

前部のスリーブ領域は、図示されている実施例において、上述のように、例示的に「鍔」１４４として構成されており、下方に向かって折り曲げられている。この構成は、ケーシング縁部１２０が背圧負荷時に（図１には図示していない）センサケーシングに載置されるので、この場合にはケーシング縁部に設けられている接着部の引張負荷が生じないという利点を有している。更には、ケーシング１１２のこの鍔の幾何学的配置及びセンサケーシングの幾何学的配置を、接着部のためのノッチ及び溝が生じるように成形することができる。熱揺変性の接着剤が使用される場合には、これは必ずしも必要ではない。接着剤として、例えばエポキシ材料を使用することができる。

図１に示されている超音波変換器１１０は本発明の出発点を表す。従って、図１による超音波変換器１１０の前述の特徴は選択的に、本発明による超音波変換器１１０においても存在することが考えられる。図２Ａ及び図２Ｂには、図１による超音波変換器１１０の本発明による変形形態が示されている。それと同時に、ここで説明する超音波変換器１１０はセンサ装置１４８のセンサケーシング１４６内に収容されているので、ここでの説明は同時に本発明によるセンサ装置１４８の実施例の説明も意味している。センサ装置１４８は例えば複数の超音波変換器１１０、例えば、流体媒体１１６における伝播時間測定のために使用される複数の超音波変換器１１０を含むことができる。図２Ａには超音波変換器１１０の概略的な全体図が示されており、これに対して図２Ｂには、図２Ａにおいて参照番号１５０が付されている、超音波変換器１１０とセンサケーシング１４６との間の移行領域が拡大して示されている。図２Ａから見て取れるように、超音波変換器１１０は図示されている実施例において、センサケーシング１４６内の収容部１６０に収容されている。例えば、この収容部１６０は円筒状の凹部を含むことができる。収容部１６０を例えば、超音波変換器１１０が流体媒体１１６の側においてセンサケーシング１４６と面一で終端しているように構成することができる。しかしながら別の構成も考えられる。収容部１６０又はセンサケーシング１４６は有利には、超音波変換器１１０のケーシング縁部１２０の領域において凹部１６２を有している。ケーシング縁部１２０の鍔１４４は有利にはこの凹部１２２内に収容されている。例えば、シーリングフィルム１４２をケーシング１１２のケーシング縁部１２０と面一で終端させることができる。

特に図２Ｂにおける拡大図から見て取れるように、本発明による構成では、シーリングフィルム１４２の縁部が封止材料１６４でもって封止されている。この封止材料１６４は例えば接着剤を含むことができる。図示されている実施例において、封止材料１６４は例えば接着ビード１６６の形態で構成されている。ここでは、接着ビード１６６の考えられる二つの直径が示されており、参照番号１６８は比較的小さい第１の直径を有する接着ビード表しており、参照番号１７０は比較的大きい第２の直径を有する接着ビードを表している。接着ビード１７０は破線で表されており、これに対して接着ビード１６８は実線で表されている。これらの直径を択一的に使用することができる。例えば、接着ビード１６８は０．８９ｍｍの直径を有することができ、これに対して接着ビード１７０は２ｍｍの直径を有することができ、例えばケーシング１１２のケーシング縁部１２０をより広範な領域で覆うことができる。図２に示した全体の寸法は例示的なものであると解するべきであり、また、ミリメートルの寸法で表されている。有利には接着ビード１６６は、この接着ビード１６６がセンサケーシング１４６の任意の凹部１６２内に完全に収容されているように寸法設計されている。

即ち、図２Ａ及び図２Ｂには、考えられる二つの異なる接着ビード直径を有している、考えられる特別な幾何学的な成形部が例示的に示されている。図示されている構成とは異なるように超音波変換器１１０の取り付けが行われる場合、例えば「頭部に関して」反転された構造で取り付けが行われる場合には、接着ビード１６６のための接着材として有利には、温度を介して形状が維持される、即ち硬化時に形状が維持される熱揺変性の接着剤を使用することができる。ケーシング縁部１２０の鍔１４４は、シーリングフィルム１４２の縁部と一緒に、有利には完全に、接着ビード１６６の接着台に浸漬する。シーリングフィルム１４２を例えば、変換器を製造する際の深絞りプロセスによって、鍔１４４の輪郭に沿って深絞りすることができる。接着剤の量及び接着材の位置決めは、例えば調量プロセスを用いて接着ビード１６６を塗布する際に、一方ではフィルムの端部が完全に接着剤によって包囲され、他方では、有利にはそれと同時にケーシング１１２がセンサケーシング１４６に対して永続的に密閉されるように定められる。

図３には、図２Ｂに類似する、図２Ａ及び図２Ｂによる実施例の変形形態が示されている。ここでもまた、凹部１６２を備えているセンサケーシング１４６が示されており、凹部１６２には超音波変換器１１０がケーシング１１２と共に挿入されている。この実施例においては、超音波変換器１１０が必ずしも流体媒体１１６側においてセンサケーシング１４６と面一に終端していなければならないのではなく、超音波変換器１１０を例えばセンサケーシング１４６の方向にずらして収容部１６０に収容するできることが示されている。

更に図３には、鍔１４４が必ずしも後方に折り曲げられていなければならないのではなく、例えば平坦に構成できることも示されている。

図２Ａ及び図２Ｂにおける構成とは異なり、図３による実施例においては、二つの接着ビード１６６が設けられている。例えば、それらの接着ビード１６６の内の一方の接着ビードはシーリングフィルム１４２の縁部を封止するタスクを担うことができ、これに対して他方の接着ビードは超音波変換器１１０をセンサケーシング１４６に結合させることができる、及び／又は、ケーシング１１２とセンサケーシング１４６との間をシーリングすることができる。この実施例は、前述のタスクを選択的に複数の構成素子、例えば複数の接着ビードによっても担うことができることを示している。接着ビード１６６は例えば、ここでもまた０．８９ｍｍの直径を有することができる。図３に示されている全体の寸法はここでもミリメートルの寸法である。

これに対して、図４には、図３によるセンサ装置１４８の変形形態が示されており、ここでは単一の接着ビード１６６が設けられている。この単一の接着ビード１６６は、図示されている実施例において、シーリングフィルム１４２の縁部を封止する機能を担っている。更には、この接着ビード１６６は、収容部１６０内にセンサケーシング１１２を接着する機能、及び／又は、センサケーシング１６０に対してケーシング１１２をシーリングする機能という多機能を担うものである。図３とは異なり、選択的に、センサケーシング１４６における凹部１６４に丸みを付けて構成することもできる。接着ビード１６６は例えば、ここでもまた０．８９ｍｍの直径を有することができる。しかしながら一般的に、この実施例において、また別の実施例において、接着ビード１６６の幾何学的配置及び／又は接着ビードの位置決めは個別の接着剤特性に大きく依存していることが考えられるので、前述の寸法設計とは大きく偏差している可能性もあることを言及しておく。

これまでの実施例においては、センサケーシング１１２を実質的にワンピースで構成できることを示していた。これに対して図５及び図６においては、ケーシング１１２をマルチピースで構成することができる、本発明による超音波変換器１１０の実施例が示されている。図示されている超音波変換器１１０は、センサケーシング１４８の構成部分であっても良い。

つまり、図５及び図６は、ケーシング１１２が第１のケーシング部１７２及び第２のケーシング部１７４を含んでいる実施例を示している。例えば、ケーシング１１２を二重変換器スリーブとして構成することができる。流体媒体１１６に割り当てられており、シーリングフィルム１４２がケーシング１１２と結合されている領域においては、ここでもまた選択的に凹部１６２を設けることができ、この凹部１６２を例えば第１のケーシング部１７２内及び／又は第２のケーシング部１７４内に形成することができる。この凹部１６２には封止材料を完全に又は部分的に収容することができる。封止材料１６４を例えば接着剤、例えば接着ビード１６６として形成することができる。従って、封止材料１６４は図示されている実施例においてやはり多機能を担う。つまり、この封止材料１６６はシーリングフィルム１４２の縁部をシーリングするだけでなく、ケーシング部１７２及び１７４の壁間もシーリングする。

図５には簡単な二重壁式のスリーブがケーシング１１２として設けられているが、図６では再び、超音波変換器１１０を例えばセンサ装置１４８のセンサケーシング１４６内に組み込む可能性が示されている。例えばこのために、図６においては、ケーシング１１２の係止部１７６がセンサケーシング１４６の収容部１６０に設けられている。この係止部１７６を例えば事前固定のために使用することができ、この事前固定部を例えば別のシーリング接着部１７８によって補完することができる。このシーリング接着部１７８はその機能に関して、封止材料１６４によるフィルムシーリングとは分離させることができる。

図７には、図６とは異なる、超音波変換器１１０及びセンサ装置１４８の実施例が示されている。分離素子１３２は図７には図示されていないが、オプションとして付加的に設けることもできる。ここでもまたケーシング１１２の二つのケーシング部１７２，１７４が設けられており、これらのケーシング部１７２，１７４は封止材料１６４によって相互に結合されている。しかしながら、マルチピースのケーシング１１２においてもケーシング部１７２，１７４間の結合部を完全に又は部分的に他の結合部によっても形成できることが示されている。つまり例えば、封止材料１６４に択一的又は付加的に、一つ又は複数の別の結合部を設けることができる。例えば、二つのケーシング部１７２，１７４を力結合及び／又は形状結合及び／又は素材結合により相互に結合させることができる。図７には例示的に、超音波溶接部１８０が設けられており、例えば相応の肩部１８２及び／又は別の相応の肩部において、その種の結合部を実現する輪郭を設けることができる。更に考えられる詳細については上記の説明を参照されたい。

Claims (13)

1. 流体媒体（１１６）に使用するための超音波変換器（１１０）において、
   少なくとも一つの内部空間（１１４）を備えている少なくとも一つのケーシング（１１２）を有しており、
   更に、前記内部空間（１１４）内に収容されており、且つ、少なくとも一つの電気音響変換素子（１２６）を備えている、少なくとも一つの変換器コア（１２２）を有しており、
   前記ケーシング（１１２）は、前記流体媒体（１１６）に割り当てられている少なくとも一つの開口部（１１８）を有しており、
   前記開口部（１１８）は少なくとも一つのシーリングフィルム（１４２）によって少なくとも部分的に覆われており、
   前記シーリングフィルム（１４２）の縁部は少なくとも一つの封止材料（１６４）によって封止されており、
   前記ケーシング（１１２）は、前記流体媒体（１１６）に割り当てられている、少なくとも部分的に前記開口部（１１８）の周囲を包囲するケーシング縁部（１２０）を有しており、前記シーリングフィルム（１４２）は少なくとも部分的に前記ケーシング縁部（１２０）に載置されており、
   前記シーリングフィルム（１４２）の縁部は、前記ケーシング（１１２）の前記ケーシング縁部（１２０）と共に終端していることを特徴とする、超音波変換器（１１０）。
2. 前記封止材料（１６４）は接着剤を含んでいる、請求項１に記載の超音波変換器（１１０）。
3. 前記封止材料（１６４）はエポキシド及び／又は熱揺変性の接着剤を含んでいる、請求項１又は２に記載の超音波変換器（１１０）。
4. 前記封止材料（１６４）は少なくとも部分的にビード状に構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波変換器（１１０）。
5. 前記封止材料（１６４）は接着ビード（１６６）として構成されている、請求項４に記載の超音波変換器（１１０）。
6. 前記ケーシング縁部（１２０）は平坦な鍔（１４４）又は折り曲げられた鍔（１４４）を有している、請求項１乃至５に記載の超音波変換器（１１０）。
7. 前記ケーシング（１１２）は少なくとも一つの第１のケーシング部（１７２）及び少なくとも一つの第２のケーシング部（１７４）を含んでおり、
   前記封止材料（１６４）は同時に、前記第１のケーシング部（１７２）と前記第２のケーシング部（１７４）との間の結合部を形成している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波変換器（１１０）。
8. 前記第１のケーシング部（１７２）及び前記第２のケーシング（１７４）は、少なくとも一つの別の結合部によって相互に結合されている、請求項７記載の超音波変換器（１１０）。
9. 前記第１のケーシング部（１７２）及び前記第２のケーシング（１７４）は、超音波溶接部（１８０）及び／又は係止部（１７６）によって相互に結合されている、請求項８に記載の超音波変換器（１１０）。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の少なくとも一つの超音波変換器（１１０）を有しており、
    更に、少なくとも一つのセンサケーシング（１４６）を含んでおり、
    前記超音波変換器（１１０）は前記センサケーシング（１４６）と結合されていることを特徴とする、センサ装置（１４８）。
11. 前記封止材料（１６４）は同時に、前記超音波変換器（１１０）と前記センサケーシング（１４６）との間の結合部を形成する、請求項１０に記載のセンサ装置（１４８）。
12. 前記センサケーシング（１４６）及び／又は前記ケーシング（１１２）は、前記封止材料（１６４）が少なくとも一つの凹部（１６２）内に収容されているように構成されている、請求項１０又は１１に記載のセンサ装置（１４８）。
13. 前記センサケーシング（１４６）は少なくとも一つの収容部（１６０）を有しており、
    前記センサ装置（１４８）に前記流体媒体（１１６）によって圧力負荷が掛けられた際に、前記シーリングフィルム及び／又は前記封止材料（１６４）への引張負荷が生じないように、前記ケーシング（１１２）は少なくとも部分的に前記収容部（１１２）内に収容されている、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のセンサ装置（１４８）。

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