JP5506942B2 - 流動媒体内で使用される超音波トランスデューサー - Google Patents

Description

従来技術
従来技術から、種々の使用領域における超音波トランスデューサーが知られている。例えば、超音波トランスデューサーは自動車技術分野において超音波流量センサ内で使用されており、例えば内燃機関の排気管および／または吸気管内に組み込まれている。このような超音波トランスデューサーの例は、ＤＥ１０２００７０３７０８８Ａ１号または後から開示された、本出願人の会社からのドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０２００８０５５１２６．０号に記載されている。超音波流量計は多くの場合、２つの超音波トランスデューサーに基づいている。これらのトランスデューサーは流動管内で流動方向においてずらして配置されており、相互に超音波信号を送出し合う。例えば差し込み式センサの形態で少なくとも１つの反射器が設けられている測定装置も使用される。超音波トランスデューサーの別の用途は例えば、充填状態測定装置または距離センサである。この距離センサは例えば、いわゆるパークパイロットシステム内で使用される。

超音波トランスデューサーは多くの場合、圧電セラミックの形態の電気−音響トランスデューサー素子を有している。インピーダンスマッチング、殊に超音波トランスデューサーと、超音波トランスデューサーが中に組み込まれるべき流動媒体との間の境界面での反射損失の低減を実現するために、多くの場合、いわゆるマッチングボディが使用される。このマッチングボディは、圧電セラミックと流動媒体のインピーダンスとの間の少なくとも部分的なインピーダンス調整のために用いられる。例えば、いわゆるλ／４インピーダンスマッチング層と接続された圧電セラミックをベースにした超音波トランスデューサーが既知である。本発明の枠内でも使用可能なこのようなマッチングボディの例は、ＤＥ１０２００７０３７０８８Ａ１号またはＤＥ１０２００８０５５１２６．０号に記載されている。

さらに、従来技術から、一体的なスリーブの形態のケーシングおよび環状の背面カバーを備えた超音波トランスデューサーが既知である。このような超音波トランスデューサーは例えば、パークパイロットシステム内で使用される。この場合には通常はまず、例えばワイヤーが圧電セラミックおよびカバーリングと接続されているコンタクトピンに溶接されることによって、圧電セラミックが電気的に接触接続される。次に通常は、圧電セラミックがバキュームグリッパーによってカバーリングを通じて保持され、カバーリングおよび接続ワイヤーと共にスリーブ内に挿入される。この過程の間、接続ワイヤーは、最適な保持性のために後の超音波トランスデューサー内で望まれる湾曲経過を辿る。バキュームグリッパーを離すことが許可される前に、通常は、ピエゾとスリーブとの間の接着部がアクティブにされなければならない。これは多くの場合に紫外線の形態で行われる。紫外線は通常同様にカバーリングを通って入れられる。

しかし取り付けのこのような形態は実際には、種々の技術的な試みおよび欠点と結びついている。従って通常は、一体型トランスデューサースリーブは少なくとも非常に奥行きが深く構成されなければならない。なぜなら、トランスデューサースリーブの内部空間は、特定量の緩衝材料によって充填されなければならないからである。さらに、コンタクトピンの固定または周辺接触接続を実現するために、トランスデューサースリーブのこのような深さが通常、必要とされる。これによって、例えば差し込み式センサケーシング内への正確に配向された組み込みのための相応のガイド長が保証される、またトランスデューサー全体の一般的な操作が容易になる。しかしトランスデューサースリーブのこのような奥行きによって通常、構造プロセス中の操作が困難になってしまう。なぜなら、圧電素子がトランスデューサースリーブの深い箇所に埋設されなければならないからである。この場合にスリーブ内での、圧電セラミックの大量生産方式の電気接触接続には困難が伴う。これに対して圧電セラミックの電気的な接触接続が、オプションのマッチングボディとの接合の前に行われる場合、圧電セラミック、接続ワイヤー、コンタクトピンおよび場合によってはトランスデューサーカバーないしはトランスデューサーカバーリングは、接合過程内で相対的に固定されたままに保たれなければならない、またはポジショニングされた状態のままに保たれなければならない。このような方法には非常にコストがかかる。

発明の開示内容
従って、流動媒体内で使用される超音波トランスデューサー並びに流動媒体内で使用される超音波トランスデューサーの製造方法が提示される。これは公知の超音波トランスデューサーおよび製造方法の欠点を少なくとも部分的に回避する。超音波トランスデューサーは殊に本発明の方法に従って製造され、この方法は、殊に、本発明の超音波トランスデューサーを製造するために使用される。これに相応して、この方法の可能な形態に対しては超音波トランスデューサーの説明を参照されたい。さらに、超音波トランスデューサーの可能な形態に対しては方法の説明を参照されたい。

本発明の超音波トランスデューサーは、少なくとも１つの電気−音響トランスデューサー素子を備えたトランスデューサーコアを含んでいる。電気−音響トランスデューサー素子は基本的に、電気信号を音響信号に変換する、および音響信号を電気信号に変換する任意の素子である。殊に、これはモノリシックな素子である。有利には、電気−音響トランスデューサー素子は圧電トランスデューサー素子を含んでいる、または圧電トランスデューサー素子として形成されている。これに相応して、本発明の枠内では、電気−音響トランスデューサー素子の別の可能な形態を制限すること無く、用語「ピエゾ」、「圧電セラミック」および「圧電トランスデューサー素子」が、用語「電気−音響トランスデューサー素子」に対する同義語として使用される。トランスデューサーコアはさらに、以下でより詳細に説明するように、別の素子を含むことができる。例えば、トランスデューサーコアは、流動媒体に面している側で、少なくとも１つのマッチングボディを含んでいる。これは例えば、上述した従来技術に即している。このマッチングボディは、電気−音響トランスデューサー素子と流動媒体（例えば空気または液体）との間の音響結合を改善するように構成されている。理想的にはこのマッチングボディは材料を提供し、この材料のインピーダンスは、電気−音響トランスデューサー素子と流動媒体のインピーダンスの幾何学的平均に位置する。実際の超音波トランスデューサー、殊に流動媒体が気体の場合には通常、別の音響インピーダンス、主により高い音響インピーダンスを備えたマッチングボディを使用するであろう。マッチングボディは、種々の音響インピーダンスを備えた複数の材料および／または音響インピーダンス勾配を備えた材料も含むことができる。トランスデューサーコアは例えば放射面を有することができる。これは、流動媒体に面しており、この放射面を介して超音波信号は流動媒体へと出力される、および／または流動媒体から超音波信号が検出される。放射面は例えば、以下でより詳細に説明するケーシングの開口部内に配置される。問えばこの開口部は、ケーシングの縁部によって、例えば環状に取り囲まれている。他の幾何形状も考えられる。この放射面はここで、ケーシングの縁部と同一平面を成すことができる、または別のレベルにも配置可能であり、例えば僅かに、ケーシング内にずらされる、または僅かに、縁部に対して、流動媒体の方へずらされる。

さらに、超音波トランスデューサーは少なくとも１つのケーシングを含んでいる。このケーシングは、殊にスリーブ状に構成される。ここでケーシングとは、超音波トランスデューサーを実質的に外部に対して遮蔽し、超音波トランスデューサーに外部に対してその実質的な形状を与える部材である。ケーシングは、以降でより詳細に説明するように、殊に金属材料および／またはプラスチック材料から製造され、超音波トランスデューサーを外部からの機械的なおよび／または化学的な影響に対して保護する、および／または、温度影響および／または圧力影響から保護する。

本発明のアィディアは、ケーシングが少なくとも２つの部分から形成される場合に、超音波トランスデューサーの取り付けおよび構造を格段に容易にすることができる、ということである。これに相応して、ケーシングは少なくとも２つのケーシング部分を有している。これらのケーシング部分は有利には完全に別個に形成される、およびこれに相応して有利には完全に相互に依存せずに製造される、および／または操作される。

ここで、トランスデューサーコアを少なくとも部分的に包囲する少なくとも１つの第１のケーシング部分が設けられる。例えばこのケーシング部分は、トランスデューサーコアのマッチングボディおよび／または電気−音響トランスデューサー素子を完全にまたは部分的に取り囲む。これに相応して、第１のケーシング部分は例えば環状または管状に形成される。これは例えば円形または多角形の断面を有している。このケーシング部分の内径は正確にフィットするようにトランスデューサーコアの外径に合わせられている、またはケーシング部分とトランスデューサーコアとの間に間隙が設けられる。これについては以下でより詳細に説明する。

ここで第１のケーシング部分はトランスデューサーコアを次のように包囲する。すなわち、流動媒体に背いている電気−音響トランスデューサー素子背面がアクセス可能であるように包囲する。用語「アクセス可能である」とは本発明の枠内で、次のような配置構成である。すなわち、第１のケーシング部分が、背面で少なくとも１つの開口部を有している配置構成である。これは例えば、トランスデューサーコアよりも大きい開口幅を有している開口部であり、これを通して、電気−音響トランスデューサー素子の背面にアクセスすることができる。これは例えば、電気−音響トランスデューサー素子の接触接続のためである。殊に開口部および／またはトランスデューサーコアは次のように構成される。すなわち、トランスデューサーコアが、第１のケーシング部分内のこの開口部を通じて、第１のケーシング部分内に入れられる、および／または第１のケーシング部分から取り出されるように構成される。例えば、電気−音響トランスデューサー素子のこの背面は、第１のケーシング部分の背面と同一平面を成している、またはむしろこの第１のケーシング部分から突出している。従って、これは例えば、電気的な接触接続のためにアクセス可能である。択一的に第１のケーシング部分が僅かに背面から突出していてもよい。従って、電気−音響トランスデューサー素子のこの背面は僅かに、第１のケーシング部分の背面に対して、ケーシング内にずらされる。しかしこの場合にも依然として、電気−音響トランスデューサー素子の背面は、電気的な接触接続のためにアクセス可能であるべきである。

さらに少なくとも１つの第２のケーシング部分が設けられる。この第２のケーシング部分は第１のケーシング部分と接続されており、例えば材料接続および／または力接続および／または形状接続を介して接続されている。この第２のケーシング部分は次のように形成および配置されている。すなわち、この第２のケーシング部分が超音波トランスデューサーを、流動媒体に背いている面で、実質的に閉鎖するように形成および配置されている。

しかしこれに関して、閉鎖するとはハーメチックに閉鎖することを意味しているのではなく、流動媒体に背いている側で超音波トランスデューサーの外観を規定すること、および／または、ケーシング内に収容されている、超音波トランスデューサーのコンポーネントの機械的な安定を意味している。さらに、外部作用からの少なくとも部分的な保護を保証する。「実質的に」とはこれに関して、少なくとも僅かな開口も許される閉鎖を意味している。ここでこの開口は例えば、貫通のために、またはトランスデューサー部分（例えば緩衝素子）の熱膨張に関する調整開口部である。「実質的に閉鎖する」とは従って、殊に、流動媒体に背いている側での、第２のケーシング部分の形態である。ここではトランスデューサー内部、例えば電気−音響トランスデューサー素子および／または全体的なトランスデューサーコアおよび／または減結合素子および／または緩衝素子は、第２のケーシング部分を通じて、ケーシング内部に保持される。従ってこれらのコンポーネントを、ハウジングから取り出すことはできない。殊に、第２のケーシング部分は背面の支えを提供する。この支えの上で、１つまたは複数の素子である、トランスデューサーコア、電気−音響トランスデューサー素子、減結合素子、緩衝素子、緩衝材料および／または減結合材料または、ケーシング内に配置されている別の素子が支えられる。従って例えば第２のケーシング部分は、流動媒体に背いている側に、少なくとも１つの支え素子、例えば内側へ突出しているフランジを含んでいる。この上で、ケーシング内部の上述した素子の１つまたは複数が支持される。従って、例えば流動媒体の圧力が受容される。例えばこのようにして次のことが保証される。すなわち流動媒体に面している超音波トランスデューサー側で圧力負荷時にシーリングフィルムが内側へ押されるのができるだけ僅かになることが保証される。しかし、少なくとも１つの背面側開口部が第２のケーシング部分内に設けられる場合には、これは過度に小さく選択されるべきではない。なぜならこの場合には、支持作用はより改善されるが、トランスデューサー内部、例えば緩衝鋳込み部の熱膨張はこの場合にオプションのシーリングフィルムにより負荷を与えるであろうからである。実際には堅さ、熱膨張係数および充填体積に応じて、第２のケーシング部分の最適な開口部の大きさに対する相応の妥協点が見付けられる。

上述したように、第１のケーシング部分はトランスデューサーコアを殊に環状に包囲する。これに相応して、第１のケーシング部分は例えば完全にまたは部分的にリングとしておよび／または環状のスリーブとして形成される。例えば第１のケーシング部分は端面、殊に環状の端面を有している。この端面は流動媒体に面している。トランスデューサーコアの放射面、すなわち、それを介して音響信号がトランスデューサーコアから流動媒体へと放出される面、および／または、それを介して流動媒体からの音響信号がトランスデューサーコアによって受容される放射面は、この端面によって環状に包囲される。例えばこの放射面は、第１のケーシング部分のこの端面のレベルに配置される。以下でより詳細に説明するように、少なくとも１つのシーリングフィルムが設けられる場合に、このような構成は特に有利である。このシーリングフィルムは、超音波トランスデューサーのケーシング内側空間を、流動媒体による影響（例えば化学的な影響および／または圧力の影響）から遮蔽する、および／または密閉する。このようなシーリングフィルムは例えば、第１のケーシング部分の端面と、および／または放射面と接着される、または別の方法で接続される。

電気−音響トランスデューサー素子は殊に、流動媒体に背いている側で、第１のケーシング部分と同一平面を成す、または第１のケーシング部分から突出する。このような構成は、電気−音響トランスデューサー素子の容易な電気接触接続を保証するのに特に有利である。

第２のケーシング部分は殊に鉢状に形成される。この場合には第２のケーシング部分は例えば、流動媒体に背いている側から、第１のケーシング部分上に折り返される。第１のケーシング部分と第２のケーシング部分は例えば、材料接続方法によって相互に接続される。これは殊に溶接方法である。殊にプラスチック材料の場合（しかし別の材料の場合でも）、殊に超音波溶接が用いられる。しかし択一的または付加的に別の接続技術も使用可能である。これは例えば力接続および／または形状接続および／または材料接続による接続技術であり、例えば、第２のケーシング部分を第１のケーシング部分上にレーザー溶接する、接着するまたはクリップ留めすること、またはその逆によって行われる。

超音波トランスデューサーはさらに、電気−音響トランスデューサー素子を電気的に接触接続させる少なくとも１つのコンタクトクリップを含んでいる。このコンタクトクリップは例えば１つ、２つまたはより多くの電気的なコンタクトを、電気−音響トランスデューサー素子の電極を接触接続させるために含んでいる。少なくとも１つのコンタクトクリップは例えば実質的に形状安定性に形成される。すなわち、これは少なくとも、自身の固有の重量の影響を受けて変形しない、または僅かにのみ変形するように形成される。コンタクトクリップは殊に、１つの金属材料から製造される。コンタクトクリップはこの場合に、第２のケーシング部分を通って、超音波トランスデューサーの内部空間に突出し、ここで、電気−音響トランスデューサー素子と電気的に接続される。コンタクトクリップと電気−音響トランスデューサー素子との間のこの電気的な接続は、例えば、コンタクトクリップによる電気−音響トランスデューサー素子の直接的な接触接続によって行われる。しかし択一的または付加的に、別の接続技術も使用可能である。これは例えばワイヤーボンディング技術である。このようなボンディング技術は技術的に特に容易に実現可能である。なぜなら、ケーシングを２つの部分から、またはより多くの部分から構成することによって、電気−音響トランスデューサー素子へのアクセスが容易になるからである。コンタクトクリップは殊に第１のケーシング部分と接続される。このようにして、コンタクトクリップを殊に空間的に固定することができる。このような接続は例えば形状接続および／または力接続による接続を含み得る。例えば、このコンタクトクリップは１つまたは複数の接続素子を含むことができる。これは例えばクリップであり、これによってコンタクトクリップを第１のケーシング部分上に嵌める、および／またはクリップ留めすることができる。

コンタクトクリップは、電気−音響トランスデューサー素子の電気的な接触接続の他に別のタスクを満たすことができる。従ってこれは例えば少なくとも部分的に電磁シールドとして形成される。これに相応して、コンタクトクリップは例えば電気−音響トランスデューサー素子を少なくとも部分的に包囲することができる。

上述したように、トランスデューサーコアは、少なくとも１つの電気−音響トランスデューサー素子内で別の素子を含むことができる。例えば、トランスデューサーコアは少なくとも１つのマッチングボディを含むことができる。これは例えば、上述した従来技術の通りである。これは、電気−音響トランスデューサー素子と流動媒体との間の音響結合を改善するように構成される。ここでこの第１のケーシング部分は、マッチングボディを少なくとも部分的に包囲し、例えば環状に包囲する。

第１のケーシング部分および第２のケーシング部分は、上述のように、完全にまたは部分的に金属材料から、および／またはプラスチック材料から、および／または別の材料から製造される。良好に減衰させ、同時に微細な構造体の製造も可能な材料が特に有利である。従って例えば、液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymers, LCP）が使用される。択一的または付加的に、別のプラスチックも使用される。例えばＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）および／またはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）および／または別のプラスチックが使用される。このようなプラスチック材料は、例えばガラスファイバー補填物、セラミック、カーボン等が補填されずに、または補填されて構成される。

第１のケーシング部分は殊に、流動媒体に面している開口部を有している。例えば第１のケーシング部分は、上述のように端面を有することができる。これは例えば、開口部を縁取る環状の端面である。トランスデューサーコアの放射面はこの開口部内に配置される。この開口部は、少なくともシーリングフィルムによって封鎖される。このシーリングフィルムは例えば、第１のケーシング部分、例えば端面と接続される。

超音波トランスデューサー内に、殊に少なくとも１つのケーシング内部空間が設けられる。このようなケーシング内部空間は例えば少なくとも部分的に、第２のケーシング部分によって制限される。このようなケーシング内部空間は殊に少なくとも部分的に、充填材料および／または緩衝材料によって充填される。これは例えば、緩衝鋳込みである。このために、例えばシリコーンが用いられる。緩衝材料は殊に直接的に、トランスデューサーコア、例えば電気−音響トランスデューサー素子と接続され、トランスデューサーコアの励振後に、できるだけ迅速に緩衝を提供するように構成されている。充填材料および／または緩衝材料はさらに、流動媒体からトランスデューサーに加えられる圧力を、トランスデューサーコアおよび充填材料および／または緩衝材料を介して、背面で、第２のケーシング部分へと導出するように構成される。

上述した１つまたは複数の構成を有する超音波トランスデューサーの他に、さらに、流動媒体内で使用される超音波トランスデューサーを製造する方法を提案する。この方法は殊に、１つまたは複数の上述した構成を有する超音波トランスデューサーを製造するために使用される。しかしここでは基本的に、提案されるこの方法によって、別の様式の超音波トランスデューサーも製造可能である。この方法は、以降に記載されるステップを含む。これらのステップは、必ずしも、示された順番で実施される必要はない。個々のステップを、同時におよび／または時間的に重ねて、実施することもできる。さらに個々のまたは複数のステップを繰り返し実施することができる。

この方法では、少なくとも１つの電気−音響トランスデューサー素子を含むトランスデューサーコアが形成される。さらに、別のステップでは少なくとも１つのケーシング部分が提供され、この第１のケーシング部分はトランスデューサーコアを少なくとも部分的に包囲する。この時点で、トランスデューサーコアを既に完全に構成することができるが、まず部分的にのみ構成することもできる。これは例えばこの時点で、第１のケーシング部分によって少なくとも部分的に包囲される、トランスデューサーコアのマッチングボディのみが提供されることによって行われる。第１のケーシング部分はここで次のように構成、提供される。すなわち、流動媒体に背いている電気−音響トランスデューサー素子背面が、電気的な接触接続過程等のためにアクセス可能であるように構成、提供される。別のステップでは、少なくとも１つの第２のケーシング部分が提供される。この第２のケーシング部分は第１のケーシング部分と接続され、超音波トランスデューサーは、流動媒体に背いている側で、第２のケーシング部分によって、実質的に閉鎖される。

この製造方法は、例えば上述した様式の少なくとも１つのシーリングフィルムが使用されるように、特に容易に構成される。例えばこれはプラスチックフィルムであり得、例えば以降でより詳細に説明するように、ポリイミドフィルムまたは別のフィルム材料であり得る。しかし金属フィルムも基本的に可能である。この場合にはこの方法は次のように構成される。すなわち第１のケーシング部分およびトランスデューサーコアまたはトランスデューサーコアの一部、例えばマッチングボディが、シーリングフィルム上に被着されるように構成される。殊にこれは、例えば接着方法および／または別の様式の材料接続方法によって、シーリングフィルムと接続される。ここで、トランスデューサーコアまたはトランスデューサーコア部分と第１のケーシング部分との間の隙間が少なくとも部分的に、少なくとも１つの緩衝材料および／または減結合材料によって充填される。例えば、この緩衝材料および／または減結合材料は、プラスチック材料を含んでいる。これは殊に液状シリコーンゴム（Liquid Silicon Rubber, LSR）である。この充填は殊に鋳込み過程によって行われる。

第１のケーシング部分と第２のケーシング部分を接続する前に、殊に、電気−音響トランスデューサー素子を接触接続するためのコンタクトクリップを第１のケーシング部分と接続することができる。この接続は、上述したように、殊に力接続による接続および／または力接続による接続を含んでいる。コンタクトクリップは殊に複数の、つながっている電気的なコンタクトを有することができる。ここでこれらの電気的なコンタクトは、コンタクトクリップを第１のケーシング部分と接続した後に、例えば、第２のケーシング部分を第１のケーシング部分上に被着した後に、相互に別個にされる。

提案した超音波トランスデューサーおよび提案した方法は、既知の超音波トランスデューサーおよび既知の製造方法に対して、多くの利点を有している。従って、低コストかつ大量生産による製造が可能な超音波トランスデューサー（例えば空気超音波トランスデューサー）に対する基礎が設定される。この超音波トランスデューサーは例えば、自動車領域内のガス流量測定に使用される。超音波トランスデューサーは例えば超音波流量計として、すなわち超音波流量測定器として、積載される内燃機関の押圧側で使用される。

この超音波トランスデューサーは容易かつ低コストに構造可能である。この超音波トランスデューサーは圧電セラミックに基づいて製造される。これはオプションでインピーダンスマッチング層、例えば２つの部分から成るスリーブの形態のケーシングを有している。ここでこの第１のケーシング部分は、スリーブの正面側部分として形成され、マッチング層と接続される。この接続は例えば、少なくとも１つの減結合素子および／または少なくとも１つのシーリングフィルムおよび／またはコーティングおよび／またはこれらの部材の組み合わせを介して行われる。第１のケーシング部分、例えばスリーブ全体の正面側部分は、ピエゾの背面がほぼ、後方のスリーブ縁部のレベルに位置するように平らに形成される。これに相応してピエゾは、取り付け過程、接着過程および接触接続過程の間、良好にアクセス可能である。第２のケーシング部分は殊に、背面側のスリーブ部分として形成される。この第２のケーシング部分は、第１のケーシング部分よりも奥行きのあるスリーブ部分として形成される。第２のケーシング部分はこれに相応して、上述のように、緩衝材料および／または減結合材料および／または支持材料を収容することができる。これは例えば注入材料である。

ケーシング部分を少なくとも２つの部分から形成すること、例えば、有利には比較的平坦な正面部分を有する２つの部分から成るスリーブを構成することによって、ピエゾ背面の良好なアクセス性が保証される。これによって、有利な製造順序が実現される。本発明は全体としてより高い設計自由度を実現する。これは例えば、接触接続技術の選択に関してである。これによって最終的に、超音波トランスデューサーに課せられた、特別な要望が満たされる。これは例えば自動車領域、殊にエンジン取り付け条件の要望である。

本発明の可能な形態の別の詳細および特徴は、有利な実施例の以降の説明に記載されている。

本発明による超音波トランスデューサーの実施例の断面図 図１における切断面に対して垂直な切断面を備えた、図１における実施例の断面図 コンタクトクリップの実施例実施例

図１および２には、本発明の超音波トランスデューサー１１０の実施例が示されている。ここで図１は、１つの面の断面図を示している。これに対して図２は、図１の断面に対して垂直な断面図を、上から見て、示している。超音波トランスデューサー１１０は、トランスデューサーコア１１２として、自身の側で、電気−音響トランスデューサー素子１１４とマッチングボディ１１６とを含んでいる。ここでマッチングボディ１１６は例えば、λ／４インピーダンスマッチング層として構成される。電気−音響トランスデューサー素子１１４は例えば圧電素子として構成され、直接的にまたは少なくとも１つの中間層（例えば熱機械応力を調整するための中間層）を介して、マッチングボディ１１６と接続される。図示の実施例ではマッチングボディ１１６は、電気−音響トランスデューサー素子１１４よりも僅かに大きい直径ｄ_１を有している。従って例えば、トランスデューサーコア１１２全体は、全体として、直径ｄ_１を有している。これは例えば８ｍｍの直径である。

トランスデューサーコア１１２はケーシング１１８内に収容される。このケーシングは図示の実施例において２つの部分から構成されている。基本的には、２つよりも多くの部分が設けられてもよい。これに相応してケーシング１１８は、流動媒体１２０（図１を参照）に面して使用される正面側の第１のケーシング部分１２２と、流動媒体１２０に背いている背面側の第２のケーシング部分１２４とを有している。以降で第１のケーシングスリーブまたは正面側スリーブとも称される第１のケーシング部分１２２を、例えば、実質的に円筒対称スリーブとして形成することができる。図示の実施例では第１のケーシング部分１２２は例として部分的に角をつけて構成されており、軸１２６に対して平行に延在している軸部分１２８を有しており、軸１２６に対して実質的に垂直に延在している放射状部分１３０を有している。放射状部分１３０は端面１３２を有している。この端面は、流動媒体１２０に面している。この端面１３２は例えば環状に構成されている。これは、例えば１２ｍｍの内径ｄ_２を有している。これに相応して、トランスデューサーコア１１２と、このトランスデューサーコアを少なくとも部分的に取り囲んでいる第１のケーシング部分１２２との間に、間隙空間１３４が形成されている。この間隙部分１３４は例えばこの場合には実質的に円筒スリーブ状に形成される。これは例えば１ｍｍの厚さを有している。隙間空間１３４は、図１および２の実施例のように、例えば完全にまたは部分的に減結合素子１３６で充填されている。この減結合素子は、ケーシング１１８内でのトランスデューサーコア１１２の良好な機械的固定に寄与するが、ケーシング１１８とトランスデューサーコア１１２との間の固体伝送音の伝送を少なくとも減衰させる。例えば、減結合素子１３６に対する材料として、鋳込み材料が使用可能であり、これは例えば液状シリコーンゴム（Liquid Silicon Rubber, LSR）である。

トランスデューサーコア１１２は、自身の、流動媒体１２０に面している側に、放射面１３８を有している。この放射面は、図示の実施例では、第１のケーシング部分１２２の端面１３２を備えたレベルに配置されている。流動媒体１２０に面している、減結合素子１３６の側も、有利には、面１３２および１３８のこの共通のレベルを超えない。流動媒体１２０に対して、超音波トランスデューサー１１０を、少なくとも１つのシーリング素子１４０を介してシーリングすることができる。これは例えばシーリングフィルム１４２である。択一的または付加的に、さらに別の種類のシーリング素子１４０が可能である。これは例えばコーティングである。シーリングフィルムは例えば大面積で、放射面１３８および／または端面１３２と接続される。これは例えば接着によって行われる。

背面、すなわち流動媒体１２０に反している面には、第１のケーシング部分１２２が比較的短く構成されている。従って図示の実施例では、トランスデューサーコア１１２の背面は、第１のケーシング部分１２２の背面と同一平面を成す、またはここから突出する。これに相応して、電気−音響トランスデューサー素子１１４は有利には自由に、背面からアクセスされる。

電気−音響的なトランスデューサー素子１１４はコンタクトクリップ１４４を介して接触接続される。このようなコンタクトクリップ１４４は例えば、第２のケーシング部分１２４の放射状の拡張部１４６内に例えば鉢状に案内される。そうでない場合はこれは例えば実質的に円筒状に形成される。このコンタクトクリップ１４４は自身の上方の終端部で、第２のケーシング部分１２４内の開口部１５０を通じて外側へと案内されており、自身の下方終端部で、有利には接続素子１４８を、第１のケーシング部分１２２と接続するために有している。この接続素子１４８は図示の実施例では、例えば図１において分かるように、クリップ状または鉤状に形成されており、第１のケーシング部分１２２の軸部分１２８の背面終端部上で折り返される、および／またはクランプ結合される。このようにして、例えば形状接続および／または力接続が実現される。

コンタクトクリップ１４４の例は図３に示されている。この図に従って、コンタクトクリップ１４４が図示の実施例において２つの電気的なコンタクト１５２、１５４を有していることが分かる。これらの電気的なコンタクトは例えば、その上方終端部で、ウェブ１５６によって相互に接続される。このウェブ１５６を超音波トランスデューサー１１０の取り付け後に、以降で詳細に説明するように取り外すことができる。接続素子１４８は側方で、実質的に軸方向に延在している電気的なコンタクト１５２、１５４から、例えば２．２ｍｍだけ突出し得る。電気的なコンタクト１５２、１５４も例えば２．２ｍｍの幅を有することが可能であり、例えば１．４ｍｍの間隔を有することができる。電気的なコンタクト１５２、１５４は、例えば図１から分かるように、コンタクト面１５８を提供することができる。このコンタクト面１５８上に例えば、接触接続部１６０が、電気−音響トランスデューサー１１４の相応する接触接続のために案内される。これは例えば、ワイヤーボンディングによって行われる。トランスデューサーコア１１２の背面は、第１のケーシング部分１２２内にトランスデューサーコア１１２が入れられている場合にも、第２のケーシング部分１２４を載せる前に、比較的自由にアクセスされるので、例えばワイヤーを載せることによってまたは別のボンディング技術またはクランピング技術または別のコンタクト技術を用いて、このような接触接続を容易に行うことができる。

このような接触接続後に、例えば鉢状の第２のケーシング部分１２４が第１のケーシング部分１２２上に被着され、例えば超音波溶接によって第１のケーシング部分と接続される。図１ではこの接続部は参照番号１６２で表されている。これによって、トランスデューサーコア１１２の流動媒体１２０に背いている面に、内部空間１６４が形成されている。この内部空間１６４は例えば大きい空間で形成され、従ってこれは例えば、完全にまたは部分的に、少なくとも充填材料および／または緩衝材料１６６によって充填される。これは例えば緩衝鋳込みである。このために、第１のケーシング部分１２２は例えば１つまたは複数の開口部１６８を含むことができる。この開口部は後から閉鎖される、またはケーシング１１８内に残されてもよい。

すなわち図１および図２に即した図示の実施例では、超音波トランスデューサー１１０は、２つの部分から成るケーシング部分１１８、例えば２つの部分から成るスリーブによって形成される。トランスデューサー正面は図１では下方に向いており、流動媒体１２０に面している。相応する正面のスリーブ部分は例えば環状に形成される。図１および図２に即して超音波トランスデューサー１１０を製造するために、例えば、第１のケーシング部分１２２の端面１３２はシーリングフィルム１４２上に接着される。マッチングボディ１１６も、シーリングフィルム１４２上に接着される。これによって、これらの素子が固定される。シーリングフィルム１４２としては例えばポリイミドフィルム（例えばカプトン）が使用される。射出成型工具において、減結合素子１３６が音響減結合部として射出される、および／または流し込まれる。これは例えばＬＳＲ材料である。次に電気−音響トランスデューサー素子１１４が接着され、コンタクトクリップ１４４の接続素子１４８、例えばコンタクトピンが軸部分１２８上に係合される。この場合に、図１および２に示されているように、つながっているコンタクトクリップ１４４を使用することができる。しかし択一的または付加的に、個別のコンタクトピンを使用することもできる。コンタクトクリップ１４４を例えば、超音波トランスデューサー１１０の取り付け後に開放することができる。次に、コンタクト部１６０の被着が行われる。例えば、熱圧着溶接によって銅ワイヤーまたは銅バンドがピエゾ電極および／またはコンタクト面１５８上、例えばコンタクトピン、例えばコンタクトクリップ１４４のコンタクト部上等に固定される。択一的に、コンタクトクリップ１４４の少なくとも１つの部分が直接的に、例えば溶接によって、ピエゾ電極および／またはコンタクト面１５８上に固定される。次に背面側のスリーブ部分が、第２のケーシング部分１２４の形態で載置され、第１のケーシング部１２２、例えばスリーブリングと接続される。これは殊に超音波溶接によって行われる。次に緩衝鋳込みおよび／または別の充填材料または緩衝材料１６６が注入され、硬化される。背面側の開口部１６８はここで、充填材料または緩衝材料１６６の注入にのみ用いられるのではなく、センサ動作領域内の緩衝鋳込み部の熱膨張を調整することもできる。他方で、この開口部１６８は単に次のような大きさにされるべきである。すなわち、トランスデューサー内部、すなわち内部空間１６４が、測定されるべき流動媒体１２２、例えば空気の対抗圧力時に依然として十分に、スリーブで後方へと支持されるような大きさにされるべきである。開口部１６８の大きさおよび／またはその幾何学形状的な構成は、この目的のために、任意の材料の充填体積ないしは充填幾何学形状並びに硬さおよび膨張係数に依存して設計され、圧力負荷時並びに熱負荷時に、流動媒体に面している放射面が動く量ができるだけ少なくされる。

図１および図２に示されている超音波トランスデューサー１１０は、複数の実施例のうちの１つにすぎない。この実施例は、本発明の別の実施例のように、種々の方法で有利に発展構成される、および／または変更される。従って例えば、内部に位置する減結合部が設けられる。これは外側へ向かって、明確な、硬くかつ容易に密閉可能な機械的なインタフェースを提供する。ケーシング１１８の材料は有利にはプラスチックから製造される。なぜなら、プラスチックは、特に良好な減結合特性を有するからである。例えば緩衝材料１６６、減結合素子１３６またはシーリングフィルム１４２を介して伝送される固定伝送音成分は、プラスチックの音波減衰に基づいて十分に減衰される。

特に適しているのは液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer, LCP）である。なぜならこれは微細な構造物を製造するのに特に適しており、さらに同時に良好な自己減衰を有しているからである。別の材料は、例えばＰＰＡ、ＰＢＴ、ＰＥＥＫまたは別のプラスチックである。プラスチック材料は、例えばガラスファイバー、セラミック、カーボン等から成る補填物が補填されて、または補填されずに使用される。さらに、択一的または付加的に、ケーシング１１８および／またはケーシング部分１２２、１２４のための材料として、金属および／または化合物材料も選択される。例えば、スリーブ材料としての金属、および／またはプラスチック内に入れられた金属部分によってＥＭＶシーリングが可能になる。しかし金属の固有振動は過度に長く続く傾向があり、これは、減結合特性を損なわせてしまい得る。スリーブ材料ないしはケーシング１１８の材料としてプラスチックが使用されている場合には、コンタクトクリップ１４４を、２つのセグメントないしは電気的コンタクト１５２に分ける代わりに、例えば３つのセグメントないしは電気的コンタクト１５２に分けることもできる。例えばこのうちの２つのセグメントが圧電接触のために用いられ、第３のセグメントが、電気−音響トランスデューサー素子１１４および／または超音波トランスデューサー１１０の別の部分の環状または部分的に環状のシールド部となり得る。

上述のように、シーリングフィルム１４２に対する材料として例えばポリイミド（例えばカプトン）が使用可能である。別の、択一的または付加的に使用可能な材料は例えば、フッ素化された炭化水素、例えばテフロンおよび／またはＰＥＥＫ、別の種類の熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂またはフィルムとして被着されないコーティング、例えばパリレン、ラッカー等の材料でもある。

択一的または付加的に、第１のケーシング部分１２２とのシーリングフィルム１４２の面状の接着のために、別の接続技術も使用可能である。さらに、シーリングフィルム１４２のフィルム縁部を、別個にシーリングすることもできる。これを例えば、上位のセンサケーシング内への超音波トランスデューサー１１０の接着と同時に行うことができる。このセンサケーシングは、図示されていない。このような上位のセンサケーシング内に、例えば、複数のこのような超音波トランスデューサー１１６を配置することもできる。これは例えば、上述した従来技術および／またはＤＥ１０２００４０６１４０４Ａ１号に開示されている。これらの文献に記載されているセンサ装置を、本発明の超音波トランスデューサー１１０を使用して実現することもできる。

シーリングフィルム１４２を固有のプロセスステップにおいて、前記第１のケーシング部分１２２のスリーブリング上およびマッチングボディ１１６上に接着することができる。しかし択一的または付加的に、シーリングフィルム１４２と第１のケーシング部分１２２および／またはマッチングボディ１１６との間の接続を、別の方法で行うことができる。これは例えば、１つのステップにおいて、減結合素子１３６の取り付けとともに、例えば射出成形工具、例えばＬＳＲ工具において行われる。択一的または付加的にこの接続を、減結合素子１３６を入れるためのＬＳＲプロセスおよび／または別の射出成形プロセスに対してリアルタイムで行うこともできる。これは例えば、この工具、例えばＬＳＲ工具も封鎖するないしはシールドする同じ接触圧によって行われる。

択一的または付加的に、別の種類の減結合素子１３６も使用される。従って、この減結合素子１３６は完全にまたは部分的に成形部分として形成される、および／または取り付けられる。このような過程の利点は、マッチング層原材料の負荷がより少ない、ということである。しかしここでの欠点は、堅さが軟らかいので、許容誤差が基本的により高くなってしまう、ということである。択一的または付加的に使用され得る別の形態は、減結合素子１３６の材料、例えばＬＳＲを第１のケーシング部分１２２にのみ、またオプションでシーリングフィルム１４２に吹きつけ、マッチングボディ１１６を別個のプロセスステップにおいて被着ないしは接着させる、というものである。

ＬＳＲプロセスに対して択一的に、緩衝材料および／または減結合材料を、鋳込み技術によって入れることもできる。シリコーンの代わりに、別の材料を使用することもできる。減結合素子１３６を別個の材料として省くこと、および／または完全または部分的に、緩衝材料１６６とまとめることもできる。例えば、唯一の鋳造材料を使用することができる。これは、緩衝と減結合との妥協である。これは例えばシリコーン原材料であり得る。基本材料としては例えば、別の充填材料を備えた柔軟なエポキシドも可能である。

さらなる修正および／または発展形態は、マッチングボディ１１６に関する。例えば、これは、上述した従来技術に従って構成される。殊にマッチングボディ１１６は、エポキシドが充填されたガラス中空球および／または多孔性に焼結されたポリイミド、例えばＤｕＰｏｎｔ社のタイプＶｅｓｐｅｌのポリイミドまたは別の材料および／またはグラジエント原材料からも成る。その音響インピーダンスないしインピーダンス経過特性は次のように選択される。すなわち、電気−音響トランスデューサー素子１１４と流動媒体１２０との間の有利な結合が得られるように選択される。電気−音響トランスデューサー素子１１４とマッチングボディ１１６との間に、１つまたは複数の付加的な層を配置することができる。この層は電気−音響トランスデューサー素子１１４、例えばピエゾを、ブレイシングから保護することができる。これは、これらが例えば圧電材料に近い膨張係数（すなわち例えば、１０ｐｐｍ／Ｋ以下のオーダー）を有していること、および十分な厚さを有していることによって行われる。この少なくとも１つの層は同時に、マッチングボディ１１６の開放孔を接着剤に対して密閉することに用いられる。この接着剤によって、電気−音響トランスデューサー素子１１４が固定される。この少なくとも１つのオプショナルな付加的な層は例えば接着される、またはモールディング方法によって被着される、および／または、マッチングボディ１１６の一部、例えば殊に異なる熱的な／音響的な特徴を備えているマッチング層である。

電気−音響トランスデューサー素子１１４の直径は次のように選択される。すなわち、実質的に、超音波形成および／または超音波検出のために、平面共振が利用されるように選択される。電気−音響トランスデューサー素子１１４の厚さは、妥協である。例えば選択されるピエゾが薄くなるほど、ピエゾはより柔軟になる。これによってピエゾは、熱衝撃に関してより安定する。他方では、過度に薄いピエゾによって、過度に強い湾曲振動が行われる。これはマッチングボディ１１６とともに、超音波トランスデューサー１１０の過度に強い温度推移を生じさせてしまうことがある。電気−音響トランスデューサー素子１１４とマッチングボディ１１６ないしはマッチング層との間の接続を、別個の接着剤を用いずに実施することもできる。これは例えば、圧電素子を直接的に、マッチングボディ１１６および／または少なくとも１つの中間体内に埋設することによって行われる。電気−音響トランスデューサー素子１１４とマッチングボディ１１６および／またはオプションの調整層との間の接続を柔軟にし、圧電機能が、マッチングボディ１１６ないしは調整層の熱による変化によって、または熱衝撃によって損なわれないようにすることができる。他方では、十分な音響的な結合が存在するように、この接続は有利には十分に硬く選択される。通常はこのためにエポキシベースの材料が使用される。

電気−音響トランスデューサー素子１１４、例えばピエゾの電極と、一般的に１つまたは複数のコンタクトピンを含んでいるコンタクトクリップとの間の電気的な接続を種々の方法で行うことができる。例えば、上述のように、ワイヤー、バンド、フィルムまたはモールによる接続を行うことができる。上述の熱圧着溶接の代わりに、接触接続として基本的に別の技術を用いることも可能である。例えば伝導接着、はんだ付けまたはワイヤーボンディングが提供される。電気−音響トランスデューサー素子とコンタクトクリップ１４４および／またはこのコンタクトクリップ１４４の個々のコンタクトピンの間のコンタクト箇所または接続部全体も、硬い保護質量体、例えばグローブトップ質量体および／または柔らかいシリコーンジェルによって覆うことができ、これによって例えば腐食から保護することができる。コンタクトピンを基本的に、ケーシング１１８の１つのケーシング部分と固定的に接続することもできる。これは例えば、はめ込み部分ないしはリードフレームとしての部分および／または射出成形で覆われた部分である。

Claims (9)

1. 流動媒体（１２０）内で使用される超音波トランスデューサー（１１０）であって、
   少なくとも１つのトランスデューサーコア（１１２）を含んでおり、当該トランスデューサーコア（１１２）は少なくとも１つの電気−音響トランスデューサー素子（１１４）を含んでおり、
   前記超音波トランスデューサー（１１０）はさらに、少なくとも１つのケーシング（１１８）を含んでおり、当該ケーシング（１１８）は少なくとも２つのケーシング部分（１２２、１２４）を有しており、
   少なくとも１つの第１のケーシング部分（１２２）が設けられており、当該第１のケーシング部分（１２２）は前記トランスデューサーコア（１１２）を少なくとも部分的に取り囲んでおり、
   前記流動媒体（１２０）に背いている、前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）の背面がアクセス可能であり、
   少なくとも１つの第２のケーシング部分（１２４）が設けられており、当該第２のケーシング部分（１２４）は前記第１のケーシング部分（１２２）と接続されており、
   前記超音波トランスデューサー（１１０）は、前記流動媒体（１２０）に背いている側で、前記第２のケーシング部分（１２４）によって閉鎖されており、
   前記超音波トランスデューサー（１１０）はさらに、前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）を電気的に接触させる少なくとも１つの形状安定性のコンタクトクリップ（１４４）を含んでおり、当該コンタクトクリップ（１４４）は前記第２のケーシング部分（１２４）を通って前記超音波トランスデューサー（１１０）の内部空間内に突出しており、当該内部空間内で前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）と電気的に接続されており、前記コンタクトクリップ（１４４）は前記第１のケーシング部分（１２２）と接続されている、ことを特徴とする超音波トランスデューサー（１１０）。
2. 前記第１のケーシング部分（１２２）は前記トランスデューサーコア（１１２）を環状に取り囲んでいる、請求項１記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
3. 前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）は、前記流動媒体（１２０）に背いている面で、前記第１のケーシング部分（１２２）と同一平面を成している、または前記第１のケーシング部分（１２２）から突出している、請求項１または２記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
4. 前記第２のケーシング部分（１２４）は鉢状に形成されており、前記流動媒体（１２０）に背いている側から前記第１のケーシング部分（１２２）上へ折り返されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
5. 前記第１のケーシング部分（１２２）と前記第２のケーシング部分（１２４）は、溶接方法によって相互に接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
6. 前記コンタクトクリップ（１４４）は前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）を少なくとも部分的に包囲しており、電磁シールドを提供する、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
7. 前記第１のケーシング部分（１２２）と前記第２のケーシング部分（１２４）は、プラスチック材料から製造されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波トランスデューサー（１１０）。
8. 流動媒体（１２０）内で使用される超音波トランスデューサー（１１０）を製造するための方法であって、
   ・少なくとも１つの電気−音響トランスデューサー素子（１１４）を含んでいるトランスデューサーコア（１１２）を形成するステップと、
   ・前記流動媒体（１２０）に背いている、前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）の背面がアクセス可能であるように前記トランスデューサーコア（１１２）を少なくとも部分的に取り囲んでいる少なくとも１つの第１のケーシング部分（１２２）を提供するステップと、
   ・少なくとも１つの第２のケーシング部分（１２４）を提供するステップと、
   ・前記第２のケーシング部分（１２４）を通って前記超音波トランスデューサー（１１０）の内部空間内に突出し、当該内部空間内で前記電気−音響トランスデューサー素子（１１４）と電気的に接続されている少なくとも１つの形状安定性のコンタクトクリップ（１４４）を提供するステップと、
   ・前記コンタクトクリップ（１４４）を前記第１のケーシング部分（１２２）と接続するステップと、
   ・前記超音波トランスデューサー（１１０）が、前記流動媒体（１２０）に背いている側で、前記第２のケーシング部分（１２４）によって閉鎖されるように、前記第１のケーシング部分（１２２）と前記第２のケーシング部分（１２４）を接続するステップとを有している、
   ことを特徴とする、超音波トランスデューサー（１１０）を製造するための方法。
9. 前記第１のケーシング部分（１２２）および前記トランスデューサーコア（１１２）または前記トランスデューサーコア（１１２）の一部であるマッチングボディ（１１６）をシーリングフィルム（１４２）上に被着させ、
   前記トランスデューサーコア（１１２）または前記トランスデューサーコア（１１２）の一部と前記第１のケーシング部分（１２２）との間の間隙（１３４）を、少なくとも部分的に、少なくとも１つの緩衝材料および／または減結合材料（１３６）によって充填する、請求項８記載の方法。

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