JP5611228B2 - 流体媒体内で使用される超音波変換器 - Google Patents

Description

本発明は、既知の超音波変換器に基づく。この超音波変換器は例えば、方法技術および／または自動車領域における超音波流量センサにおいて使用される。殊に、このような超音波変換器ないしは超音波流量センサは、内燃機関の吸気管および／または排気管において使用され、殊に空気の体積流量または質量流量を測定する。ここでは、流体媒体（すなわち気体および／または液体）内の超音波を求めることも、超音波を受信することもできる、典型的な超音波変換器が使用される。通常、流れている流体媒体内を超音波信号が送信部から受信部まで送られ、超音波信号の伝播時間、伝播時間差または位相ないしは位相差が測定される。またはこれらの測定量が組み合わされて測定される。これらの信号は、流体媒体の流れによって影響される。伝播時間が影響される度合から、流体の流速が推測される。例えば、本願発明の枠内において本願発明に相応して修正することも可能であるこの種の超音波変換器は、ＤＥ４２３０７７３Ｃ１号、ＥＰ０７６６０７１Ａ１号またはＤＥ１０２００７０１０５００Ａ１号に記載されている。

例えば上述した様式の超音波変換器ないしは超音波流量センサ内には、殊に空気等の気体媒体内で、殊に超音波伝播時間測定および／または超音波の流れの測定のために、典型的にいわゆる整合部材が使用される。これは例えば、１つまたは複数の整合層の形状である。このような整合部材は、圧電セラミック等の通常の超音波送信部によって形成される、流体媒体内への入力の振動エネルギーが、例えばファクター６×１０^−５の高い音響インピーダンス差を克服しなければならない、という事実を考慮する。この結果、通常は音響エネルギーの約９９．９９９５％が圧電セラミックからの経路において、空気内に、相応する境界面で、反射して戻され、測定には使用されない。同様の反射損失が、再度、第２の受信側の変換器で生じる。この変換器は、第１の変換器と同じものであってもよい。圧電素子と測定される流体との間の音響的な結合を改善するために、通常は、例えば１つまたは複数の整合層を備えた整合体が使用され、殊に超音波流量計の信号差が高められる。このような整合体はインピーダンスマッチングに用いられ、圧電変換器素子の音響インピーダンスと流体媒体との間にある音響インピーダンスを有している。このような整合層は例えばメンブランとしてλ／４層を含んでいる。例えば、音響放射共振体または整合体を備えた超音波変換器が知られている。これは例えば、金属メンブランまたはλ／４インピーダンスマッチング層である。このような超音波変換器は殊に、空気での流れ測定に使用される。ここでは、このような流れ測定から例えば、内燃機関のシステム制御内の空気量信号が導出される。

しかし、公知の超音波変換器または超音波による流れセンサの問題は、このような特別な圧力要求を満たさなければならない、ということである。このために、耐圧性の超音波変換器設計が必要である。例えば、殊に自動車内の内燃機関内の流れを測定するための超音波流量センサは、ターボ過給器および／または過給空気冷却器の後ろに組み込まれる。この位置は、使用上の利点および内燃機関のシステム制御に関する利点をもたらす。しかしこのような組み込み位置の場合には、超音波変換器が晒される最大圧力は典型的には２ｂａｒ〜６ｂａｒである。他の用途も可能である。

気密性に関するこのような高い要求を満たさなければならない超音波変換器または超音波流れ測定器では、音響放射面は主に、変換器ハウジングまたは流管の組み込まれた構成部分として構成される。しかしこれによって多くの場合、この音響放射面はこの構成部分、例えば変換器ハウジングおよび／または流管に固く取り付けられ、個体伝搬音拡散に対する高い結合が生じてしまう。しかし、超音波変換器と周囲のハウジングないしは周囲の流管との間のこのような不良な減結合は、超音波変換器の信号の質にとって欠点である。ある程度の減結合を提供するために、しばしば、エラストマーが使用される。これは例えばシリコーン形成コンパウンドおよび／またはＯリングである。しかしこれらは同じように、流体媒体内への超音波信号の入力作用ないしは流体媒体から変換器内への超音波信号の取り出し作用を低減させる。基本的には、目的の衝突が、気密性への要求と必要な固体伝搬音分離との間にある。なぜなら、比較的硬い圧電セラミックを緩衝するために必要な材料は、充分なエネルギー入力のために、高い音響インピーダンスを有していなければならないが、これによって、同じように硬いハウジング材料に対して充分に分離しない。しかし他方で、付加的に、減結合に適しているであろう、使用される材料は軟らかすぎて、圧力が側方から正面に作用する場合には、変換器の中心部を安定した状態に保つことはできない。

本願発明の開示
これに相応して、公知の超音波変換器の欠点を少なくともほぼ回避している、流体媒体内で使用される超音波変換器並びに流体媒体内で使用される超音波変換器の製造方法を提案する。超音波変換器とはここで一般的に、超音波領域における音響エネルギーを形成するおよび／または検出するために用いられ、殊に自動車技術において、例えば上述した様式の超音波流量センサ内で使用される素子である。提案される超音波変換器は少なくとも１つの圧電変換器素子と、少なくとも１つの整合体を有している。ここでこの整合体は、圧電変換器素子と流体媒体との間の振動入力を促進する。圧電変換器素子の概念は広く、例えば、強誘電効果、静電効果、磁気歪効果、磁気電気効果またはこれらの効果および／または別の効果の組み合わせに従って作動する電気音響変換器を含んでいる。整合素子とは一般的に、圧電変換器素子と流体媒体、例えば気体、殊に空気との間の音響結合を改善する素子である。これは、少なくとも部分的なインピーダンス整合を行うことによって行われる。例えば、メンブランおよび／またはλ／４層が使用される。これらは単体で、または組み合わせて、圧電変換器素子（例えば結合面自体）と流体媒体との間で使用される。理論的には、良好な超音波入力のために、整合体、例えば整合層のインピーダンスは、少なくとも近似的に、流体媒体（例えば空気）と、圧電変換器素子の圧電材料との間の等比中項をとるべきである。これは多くの場合において、実際にはほぼ実現されないので、整合体ないしは整合層のインピーダンスに対する特に有利な領域として、０．１×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）および２．５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）の間の領域が提案される。特に有利には、整合体のインピーダンスは、０．５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）と１．６×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）、むしろ１．５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）との間の領域にある。例えば、有利には、０．８×１０^６ｋｇ／（ｍ^２ｓ）の値が使用される。これらの有利な値は、流体媒体としての通常圧力時に、単一層の整合層および空気または別の気体に対して有効である。流体ではより高いインピーダンスが使用される。同じように別のインピーダンスが、整合層が多層構造を有している場合に使用される。ここでは殊に、インピーダンスを段階的に、圧電素子材料のインピーダンスから、流体媒体のインピーダンスへとマッチングさせることが試みられる。

超音波変換器はさらにハウジングを有している。例えばこのハウジングは金属ハウジングを含んでいるおよび／またはプラスチックハウジングを含んでいる。ここでハウジングの材料選択は、周辺条件に合わせられる。後で詳細に記述するが、本発明はハウジングと圧電変換器素子との間を、広範囲に音響的に分離させることができる。従って、ハウジングの選択時には、振動的な分離への初歩的な配慮だけが行われればよい。圧電変換器素子は、ハウジング内、例えばハウジングの内部空間内に挿入される。このハウジングはさらに、流体媒体の方を向いている少なくとも１つの開口部を有している。この開口部を介して、流体媒体内への音響入力ないしは流体媒体から圧電変換器素子内への音響入力が行われる。例えば、このような開口部は、丸い開口部および／または多角形の開口部であり、殊に円形の開口部である。整合体はここで、少なくとも部分的に、この開口部内に挿入される。有利には、開口部の領域において、整合体とハウジングの内壁との間の間隙が、例えばリング状間隙の形で残るように、整合体が開口部内に挿入される。これに相応して、整合体は例えばディスク状および／または層状の整合体として成形され、例えば自身の外側ゲオメトリーから、開口部の内側ゲオメトリーに整合される。この意味においては同じように、多角形または円形の外形を備えた整合体の成形は有利である。整合体の、流体媒体とは反対側の面には、少なくとも１つの圧電変換器素子が配置される。

整合体はここで、上述したように、有利には次のように開口部内に挿入される。すなわち、整合体がハウジングに直接的に接触接続しないように挿入される。従って、ハウジングから整合体への直接的な音響入力が、少なくとも広範囲に阻止される。音響入力をさらに低減させるために、および同時に、上述の気密性要求を満たすために、（例えば、２ｂａｒ〜６ｂａｒの圧力に対する音響変換器の内部空間内の機密性）さらに少なくとも１つの密閉素子が設けられる。別個の部分として、従って整合体およびハウジングとは無関係に構成されるべきであるこの密閉素子は、整合体とハウジングとの間の、上述した少なくとも間隙を密閉するために構成される。この密閉は次のように行われる。すなわち、ハウジングの内部空間が、例えば２〜６ｂａｒまでの流体媒体に対して少なくともほぼ密閉されるように行われる。

密閉素子はここで、整合体とハウジングとの間の音響分離の上述した要求を満たし、かつ同時に圧力密閉性を満たすために、種々異なって構成される。これらの手法が組み合わされてもよい。第１の手法では例えば、密閉素子は密閉薄膜を有している。これは整合体および開口部を取り囲んでいるハウジングの端面を少なくとも部分的に密閉する。このハウジングの端面が同じように、流体媒体の方を向いていてもよい。すなわちこの密閉薄膜は有利には完全に、超音波変換器の正面、例えば流体媒体の方を向いている平らな正面を覆う。ここで密閉薄膜とは、フィルム形状の素子、すなわち水平方向の寸法に比べて厚さが格段に（例えば少なくとも１０倍、有利には少なくとも１００倍、殊に少なくとも１０００または１００００倍）薄い素子である。このような密閉薄膜は、密閉特性を有しており、例えば単独で、または密閉素子の別の構成部分と組み合わさって、流体媒体に対するハウジング内部空間の、上述した密閉を保証する。例えばこのような密閉薄膜は、１００μｍ未満、殊に２５μｍ未満の厚さを有している。この密閉薄膜は例えば少なくとも１つの金属フィルムおよび／または少なくとも１つのプラスチックフィルムを有している。ここでは、例えば熱硬化性材料および／または熱可塑性の材料が使用される。例えばポリイミドフィルムが熱硬化性材料として使用される。熱硬化性材料は、熱的におよび機械的に特に安定している。ここでは、Ｋａｐｔｏｎ^（Ｒ）フィルムが特に有利である。択一的または付加的に、熱可塑性材料として、例えばＰＥＥＫが使用される。熱可塑性材料、殊にＰＥＥＫは、通常は、水蒸気に対して気密性を有している。組み合わせ、例えば熱硬化性薄膜と熱可塑性薄膜との組み合わせも可能である。

少なくとも１つの密閉薄膜に対して択一的または付加的に、密閉素子は、少なくとも部分的にハウジングと整合体との間に挿入されている、少なくとも１つの減結合素子を有している。この減結合素子は、例えば、整合体とハウジングとの間の間隙を完全に満たす。これは例えばこの減結合素子が、整合体を完全に水平方向で取り囲むこと、例えばリング状に取り囲むことによって行われる。上述のように、この間隙は例えば円形の間隙である、および／または多角形、例えば矩形の間隙である。この減結合素子は、ハウジングと整合体との間での、固体伝搬音の少なくとも部分的な分離を保証するように構成されている。これに相応して、減結合素子の材料は有利には、ハウジングおよび／または整合体の材料よりも軟らかくなるように選択されている。

このようにして、ハウジングおよび整合体の材料特性の別個の最適化が可能になる。ここでは、有利には完全に独自の素子として構成されている減結合素子によって、固体伝搬音分離が保証される。この分離を保証するために、減結合素子は例えばエラストマー材料を含んでいる。これは殊にシリコーン材料および／またはポリウレタンである。例えば、液状シリコーンが使用される（英語：liquid silicone rubber, LSR）。一般的に、減結合素子は少なくとも１つのプラスチック材料を含んでいる。これは殊に、４０未満の、有利には２５未満のショアＡ硬さを有しているエラストマー材料である。殊にここでは化合物材料も使用される。化合物材料は例えば、少なくとも１つのマトリクス材料、殊にエラストマーマトリクス材料と少なくとも１つの充填物から成る。充填物としてはここで例えば気体封入物、例えば気泡が可能である。ここでは例えばエラストマー泡が使用される。択一的または付加的に例えば固体封入物も可能であり、例えばプラスチック中空球が充填物として、または充填物の構成部分として可能である。これは例えば、気体が充填された中空球である。このような減結合素子は、ハウジングと整合体との間の固体伝搬音を分離させる上述した特性を、良好に保証することができる。同時に、完全な密閉を素子するために、このような減結合素子を例えば、上述の密閉薄膜と組み合わせることができる。従って、例えばディスク状の整合体がリング状に、完全に減結合素子によって取り囲まれる。これには同じように、外側からハウジングが接続されている。流体媒体の方を向いているこのような配置構成の全体的な端面は次に密閉薄膜によって覆われる。

減結合素子は、上述のように、整合体を完全に、または部分的に取り囲む。特に有利には、減結合素子は、ハウジングの内面の少なくとも１つの内張りを含んでいる。これは例えば、少なくとも１つの開口部の領域における内張りである。択一的または付加的に、特に有利には、ハウジング内の残余の中空空間が緩衝素子によって充填され、例えば緩衝注入物によって充填される。例えば、圧電変換器素子上方の中空空間は、緩衝注入物としての鋳込みコンパウンドによって完全にまたは部分的に充填される。この場合には、例えば同じように、シリコーンおよび／またはエポキシドおよび／またはポリウレタンが使用される。これらは例えば鋳込みによって処理され、緩衝特性を有している。殊にここでも再び、化合物材料が使用される。例えばこの化合物材料は、少なくとも１つのマトリクス材料、殊にエラストマーマトリクス材料、および／または熱硬化性材料と、少なくとも１つの充填物とからの化合物材料である。しかし熱可塑性のマトリクス材料も基本的には可能である。充填物としてはここで同様に、例えば気体封入物、例えば気泡が可能であり、例えばプラスチックフォームが使用される。択一的または付加的に、択一的または付加的に例えば固体封入物も可能であり、例えばプラスチック中空球が充填物として、または充填物の構成部分として可能である。これは例えば、気体が充填された中空球である。択一的または付加的により重い充填物も可能であり、例えばシリケート、セラミック粒子または金属粒子、例えばタングステン粒子が可能である。ここではマトリクス材料はできるだけ柔らかく構成されるべきであり、高い損失モジュールを有するべきである。例えば５〜５０の間のショアＡ硬さを有するマトリクス材料が使用される。これに相応して、充填物はできるだけ高密度に構成されるべきであり、例えば、２ｇ／ｃｍ^３を上回る密度、有利には４ｇ／ｃｍ^３を上回る密度を備えている。緩衝注入物の形状で緩衝素子を形成することに対して択一的または付加的に、緩衝素子を別の様式で形成することもできる。例えば以降でより詳細に説明するように、形成コンパウンドを使用することによって形成することもできる。

ハウジングは例えば、ハウジングスリーブを含むことができる。これは例えば円柱状のハウジングスリーブである。ことに、このハウジングスリーブは金属スリーブとして、例えば湾曲−打ち抜き部分として構成される。しかし基本的にはプラスチックまたは別の材料または化合物材料も使用される。ハウジングスリーブは上述した、流体媒体の方を向いている開口部、並びに、さらに場合によっては少なくとも１つの第２の開口部を有することができる。殊にこれは背面開口部、すなわち流体媒体の方を向いている開口部と向かい合い、超音波変換器の、流体媒体と反対側の面に配置されている開口部であり得る。この第２の開口部は、少なくとも１つの封鎖素子によって封鎖され得る。この場合には、オプショナルで、圧電変換器素子の少なくとも１つの電気的な接続コンタクトが、第２の開口部を通って、ハウジングの外面へ案内される。このようにして、圧電変換器の接触接続が可能になり、例えば、圧電変換器素子を音響信号の出力に用いることができる、および／または音響信号の受容時には、圧電変換器素子によって形成された電気信号を問い合わせすることができる。

ここで封鎖素子を、様々な様式で構成することができる。これらは有利には、少なくとも１つの接続コンタクトを引き出すことを可能にする。例えば、ハウジングの少なくとも１つの折り曲げ可能な壁部セグメントを設けることができる。これは曲げられた状態において、第２の開口部を少なくとも部分的に封鎖する。例えば、このようにして、１つまたは複数の折り曲げ可能な壁部セグメントによって、折り曲げ封鎖が補償される。折り曲げ可能な壁部セグメントは、例えば１つの部分となるようにハウジングスリーブと接続される、および／またはこのようなハウジング部分の一部分である。しかし第２の開口部を封鎖するために折り曲げ可能な壁部セグメントを用いるのに対して択一的または付加的に、別の様式の封鎖素子も使用可能である。これは例えば少なくとも１つの封鎖キャップである。例えば、ハウジングスリーブ上に載置され、例えば相応の固定素子（例えば固定用突起）を介して、ハウジングスリーブと接続される封鎖キャップおよび／または封鎖リングが使用される。別の形も可能である。ここで封鎖作用が必ずしも完全に生じなくてもよく、例えば、部分的に生じてもよい。従って例えば部分的な封鎖によって、一方で変換器中心部全体が支えられる。この素子は、圧電変換器素子と、場合によっては整合体、緩衝素子および減結合素子とを含んでいる。しかし付加的にこの不完全な封鎖によって、例えば変換器中心部が熱的に延びる。これによって、前面の密閉素子および／またはその固定部が、非常に強い熱負荷を受けることはない。例えば内側へ向かっている折り曲げ部分および／または内側へ向かっている、ハウジングスリーブのビードは既に、封鎖素子として、必要な封鎖作用および支持作用を保証しているが、同時に、変換器中心部の必要な熱的な延びを許容する。封鎖作用が必ずしも完全に、ハウジングの後方終端部で生じなくてもよく、この終端部より僅かに前にでもよい。

さらに、外面上も超音波変換器のハウジングは、少なくとも１つのインターフェース素子を有している。この素子は、流体媒体を受容する測定チャンバとの機械的な接続に用いられる。この測定チャンバは殊に、流体媒体を案内する流管であり得る。このようにして、超音波変換器が例えば直接的に流管内および／または流管のセグメント内に統合される。従って、超音波変換器センサ装置は、例えば超音波流量センサまたはこのような超音波流量センサの構成部分として生じる。インターフェース素子は殊に取り囲んでいる縁、有利には折り曲げ縁を有しており、これを介して測定チャンバ壁部との接続が形成される。別の構成も可能であり、これは例えばフランジ、みぞ、別の様式の固定素子等の形状である。

上述した１つまたは複数の実施形態に即した超音波変換器の他に、さらに、流体媒体内で使用される超音波変換器の製造方法を提案する。この方法は殊に、上述した１つまたは複数の実施形態に即した超音波変換器を製造するために使用される。従って、この方法の可能な実施形態に関しては、上述の説明を参照されたい。提案した方法では、少なくとも１つの圧電変換器素子が、ハウジング内に挿入される。このハウジングは、流体媒体の方を向いている少なくとも１つの開口部を有している。圧電変換器素子と流体媒体との間の振動入力を促進する少なくとも１つの整合体が、少なくとも部分的に開口部内に挿入される。さらに少なくとも１つの密閉素子が整合体およびハウジングと次のように接続される。すなわちこの密閉素子が、整合体とハウジングとの間の少なくとも１つの間隙を密閉するように接続される。ここでこのハウジングの内部空間は少なくとも広い範囲で、流体媒体に対して密閉されている。これらのステップは記載されている順番で実行されるが、必ずしもそうでなくてよい、ということに留意されたい。記載された順番とは異なる順番も可能である。さらに、付加的な、挙げられていないステップを行うことも可能である。時間的に並行してまたは時間的に重なって、個別ステップを実行することも可能であり、さらに個々のステップまたは複数のステップを繰り返し行うことが可能である。

この方法は殊に次のように実施される。すなわち、整合体がハウジングと、接続ステップにおいて、密閉素子を介して接続されるように実施される。殊に、このような接続ステップは、唯一の接続ステップであり、例えば、整合体と密閉素子とハウジングとの間での材料結合が同時に行われる。殊にここでは上述したのと同じように、少なくとも１つの密閉薄膜および／または少なくとも１つの減結合素子が密閉素子として使用される。ここで、少なくとも３つの、相互に接続されている個別部分を備えている構造群が形成される。提案された方法ではさらに少なくとも１つの密閉薄膜が、開口部を取り囲んでいる開口部の端面、および流体媒体との整合体の結合面とも称される、整合体の面と接続される。殊に、殊に、このような接続は材料結合、および／またはプレス結合、殊に高温でのプレスを含んでいる。種々異なる構成が可能である。

上述した実施形態のうちの１つまたは複数の実施形態における超音波変換器および方法は既知の超音波変換器および既知の方法とは異なり、多くの利点を有している。従って、耐圧性の超音波変換器が提供され、これは、上述の密閉素子（殊に密閉薄膜および／または減結合素子）を介して、測定されるべき流体媒体（例えば空気）の圧力が過剰である場合に、相応する力を前面で受容し、周辺および背面で、形状結合でハウジングに伝達する。例えば、上述した減結合素子による、完全に周囲に延在しており、できるだけ圧縮されない減結合によって、超音波変換器の安定した構造が得られる。これは、圧力が側面から正面に作用した場合にも、圧電変換器素子を安定した状態に保つことができる。製造上の理由から、単に部分的に周囲に延在する減結合、ないしは広い範囲で周囲に延在する減結合も使用可能である。これは例えば上述した減結合素子による。一般的に減結合素子を、ハウジングと整合体との間の間隔を常に保証するために、構成することができる。この間隔は、緩衝のために用いられる。

さらに、本発明の構成では、音響的に不利な、硬い材料から成るまたは安定的にハウジングと接続されている放射面を省くことができる。ハウジングと、一体的に接続されているこのような放射面は、例えばＤＥ４２３０７７３Ｃ１号またはＥＰ０７６６０７１Ａ１号に記載されている。しかしこれは、材料選択に関して、上述の欠点を有している。この欠点は、個々の材料を別個に最適化することによって回避される。しかし、本発明のオプショナルな、殊にハウジングを介した、背面での、例示的な形状結合力伝達によって、超音波変換器を完全に耐圧性に構成することができる。本発明によってさらに、固体伝搬音に対する効果的な減結合が可能である。通常はこのために比較的軟らかい材料が必要とされる。この減結合はここで、上述のように、減結合素子によって担われる。この減結合素子の材料特性は、別個に最適化される。この有利な軟らかいハンギングにもかかわらず、整合体および圧電変換器素子は、抵抗圧力が高い場合でも、比較的安定した形状を有する。

提案された方法は、有利には１つのステップで、整合体を例えば減結合素子および／または密閉薄膜を介して、ハウジングと接続して、１つの構造グループにする。この構造グループは３つまたはそれよりも多くの個別部材を有している。次に、さらなる素子が挿入される。例えば、上述の構造群を製造した後にはじめて、圧電変換器素子がこの構造群の中に挿入される。このようにして、構造群の製造を事前に行うことによって、さらなる構成部分が、機械的および／または熱的な負荷を受けるのを妨げることができる。このような負荷は、超音波変換器のさらなる構成部分に損傷を与える恐れがある。

本発明の実施例を図示し、以降の明細書においてより詳細に説明する。

本発明による超音波変換器の実施例の断面図 減結合素子を備えた、図１に示された超音波変換器の、切って開けられたハウジング 図１に示された超音波変換器の、斜め上から見た斜視図

図１〜３には、本発明による超音波変換器１１０の実施例が、種々異なる様式で示されている。図１は側方断面図であり、図３は、超音波変換器１１０の、斜め上から見た斜視図である。図２は、超音波変換器のハウジング１１２を示しており、これは内張り１１６の形状で、減結合素子１１４を有している。図１に示された超音波変換器１１０のさらなる素子は、分かりやすくするために図２に示されていない。超音波変換器１１０は、前面１１８を有している。この前面は超音波変換器１１０の作動中は流体媒体の方を向いている。さらに超音波変換器１１０は背面１２０を有している。背面は、作動中、通常は流体媒体、例えば空気と接触しない。ハウジング１１２は例えば実質的に、鍋状に形成されており、前面１１８に開口部１２２を有している。この開口部は殊に図２から読み取れる。この開口部１２２はこの実施例では、ハウジングの端面１２４によって円形に取り囲まれている。さらに、ハウジング１１２は、折り曲げ縁１２６の形状の硬いインターフェースを有している。これは例えば、超音波センサのセンサ装置の別の部分と接着される、または別の方法で結合される。この部分は例えば測定チャンバ、殊に流体媒体を案内する流管である。

ハウジング１１２は内部空間１２８を有している。この内部空間１２８は、前面１１８に向かって開口部１２２と接しており、背面１２０に向かって第２の開口部１３０と接している。すなわちこの第２の開口部１３０は、図示の実施例では、ハウジング１１２のハウジングスリーブ１３２の背面開口部として構成されており、封鎖素子１３４によって封鎖されている。この封鎖素子１３４は図示の実施例では、ハウジング１１２の曲げられた壁部セグメント１３６によって構成されている。ハウジング１１２はこれに相応して、例えば湾曲打ち抜き部分とし形成される。これは例えば、金属ハウジングの形状である。図示の実施例では、４つの壁部セグメント１３６が設けられている。しかしここで、別の形態も可能である。封鎖素子１３４は、第２の開口部１３０を封鎖する。これは殊に図３から読み取れる。図示の実施例では有利には完全には封鎖しない。

超音波変換器１１０の内部空間１２８内には、圧電変換器素子１３８並びに整合体１４０が収容されている。これらは両方とも、図示の実施例では、環状ディスクとして構成される。しかし、別の形状も可能である。ここで整合体１４０はその直径において、圧電変換器素子１３８よりも大きくされており、減結合素子１１４の内張り１１６と直接的に接している。整合体１４０ないしはこの整合体の結合面１４２およびハウジング１１２の端面１２４は、密閉薄膜１４４を介して相互に接続されている。図１から読み取れる密閉薄膜１４４は、図示の実施例において、減結合素子１１４とともに、密閉素子１４６を構成する。

圧電変換器素子１３８は図示の実施例において、２つの接続コンタクト１４８、１５０によって電気的に接触接続可能である。例えば接続ワイヤーとして構成される、これらの接続コンタクト１４８、１５０は、内部空間１２８を通って、および背面１２０側の、ハウジング１１２の外面上の第２の開口部１３０を通って案内される。そこでこれらの接続コンタクトは例えば、絶縁されたコンタクト面１５２上に固定される。これは図３に示されている。ここで、図３には接続コンタクト１５０だけが、絶縁されたコンタクト面１５２（コンタクトパッド）上に配置されている。これに対して第２の接続コンタクト１５０は直接的にハウジング１１２上に載置されている。このように、接続コンタクト１４８、１５０のうちの１つをハウジング１１２と接続する代わりに、接続コンタクト１４８に関しても絶縁を行うことができる。

さらに、整合体１４０、圧電変換器素子１３８および減結合素子を挿入した後に残った内部空間１２８内に、緩衝素子を挿入することができる。この緩衝素子はこの実施例では、緩衝注入物１５４として形成されている。緩衝部として用いられるこの緩衝注入物１５４はここで種々異なる方法で挿入される。ここで用語「注入物」は、必ずしも、注入技術としての純粋な鋳込みに制限されない。基本的には、緩衝注入物１５４として変形可能な質量体を別の様式で挿入することができる。しかし、例えばエポキシド、シリコーン、ポリウレタンまたは類似のプラスチック、殊にエラストマーによる鋳込みが特に有利である。なぜならこれによって、内部空間１２８内の残った全ての中空空間が有利に充填されるからである。緩衝素子、殊に緩衝注入物１５４が全体的にまたは部分的に、上述した減結合素子１１４とまとめられてもよい。この場合には、例えば緩衝素子は、密閉薄膜１４４まで延在することができる。

図示された超音波変換器１１０を製造するために、例えば円柱状のピエゾ素子が圧電変換器素子１３８として使用される。例えば、材料ＰＺＴ５Ａ、すなわち比較的低い機械的なＱ値と、高いバンド幅と、大きなたわみを有するセラミックが使用される。例えば、８ｍｍの直径と２ｍｍの高さを有する圧電素子が使用される。このような直径から、例えば、２００ｋＨｚ〜２４０ｋＨｚの間のプラナー共振が生じる。これは種々異なる要求に関する用途に対して良好な妥協点である。この高さから、たわみに対向するある程度の硬さが得られる。これによって、不所望な、温度に依存するモード結合が回避される。

整合体１４０は例えば、プレスされ、多孔性に焼結されたポリイミドから製造される。例えばＤｕｐｏｎｔ社の登録商標であるＶｅｓｐｅｌ^（Ｒ）が使用される。これは０．７ｇ／ｃｍ^３の密度を有している。例えば整合体１４０は約１ｍｍの厚さを有することができる。しかし別のサイズも、基本的には可能である。ならびに、整合体１４０に対して別の種類の材料を選択することが可能である。これは例えば、ＥＰ０７６６０７１Ａ１号、ＤＥ１０２００７０１０５００Ａ１号またはＤＥ４２３０７７３Ｃ１号に挙げられた材料のうちの１つまたは複数である。

超音波変換器１１０の製造は、例えば接着剤がコーティングされた密閉薄膜１４４によって始まる。例えば、密閉薄膜１４４として同じように、ポリイミドを使用することができる。これは例えばＫａｐｔｏｎ^（Ｒ）である。例えば、密閉薄膜は２５μｍよりも薄い厚さを有することができる。例えばはじめに、構造化されていない密閉薄膜１４４が用いられ、この上に有利には次に整合体１４０（例えば整合層）、並びにハウジングスリーブ１３２（例えば金属スリーブ）が載置される。金属スリーブは例えば、湾曲打ち抜き部分として製造され、内張り１１６が、減結合素子１１４として設けられる。例えば内張りは液状シリコーンゴム（ＬＳＲ）によって行われる。このようなＬＳＲ層は例えば、２５のショアＡ硬さを有しており、固体伝搬音の分離に用いられる。

密閉薄膜１４４、ハウジングスリーブ１３２および整合体１４０の上述の素子を接続するために、例えば、プレス技術および／または熱技術および／または別の技術が使用される。この接続は付加的にオートクラーブプロセスによってサポートされる。従って、例えばオートクラーブプロセスにおいて、ハウジングスリーブ１３２と整合体１４０が有利には、温度影響下で、密閉薄膜１４４上でプレスされる。このようなオートクレーブプロセスは例えば、ファイバープラスチック化合物材料の製造と同じように行われる。密閉薄膜１４４上に位置付けされた整合体１４０およびハウジングスリーブ１３２上に、例えば僅かに弾性を有する対抗型を置くことができる。例えば圧縮中に形成される空気圧によって、この対抗型は、上述した構成部分に対して押圧され、これは温度影響下で、密閉薄膜１４４上で押される。この対抗型の弾性は、構成部分のある程度の公差ずれを補償することができる。オプションとして付加的な、片側の真空化によって、過剰な空気を化合物から取り除くことができる。対抗型は同時に、構成部分の案内および位置付けのために、重ねて用いられる。対抗型を下方にも設けることができ、この場合には、整合体１４０の整合層およびハウジングスリーブ１３２が上方から備え付けられ、最終的には密閉薄膜１４４、例えば押圧マットによって覆われる。整合体１４０とハウジングスリーブ１３２との間に改善された位置許容公差は、整合体１４０および内張り１１６のＬＳＲ層の形状結合による位置付けによって実現される。これは例えば、図１および図に記載されている、開口部１２２の領域における、内張り１１６の内側での出っ張り部分１５６によって実現される。ＬＳＲ内張り１１６のこのような出っ張り部分１５６の内径は、例えば、整合体１４０の外径にちょうど相当する。出っ張り部分１５６は、開口部１１２の領域における整合体１４０とハウジング１１２との間の間隙１５８を有利には完全に満たす。ここでこの間隙１５８は、図示の例では（殊に図１を参照）有利には環状に構成されている。それぞれハウジングスリーブ１３２、整合体１４０並びに密閉薄膜１４４を含んでいる個々の構成部分の個別化の後、圧電変換器素子１３８が整合体１４０上に、接着等によって被着される。圧電変換器素子１３８を通常の電極配置によって、２つの端面に設けることができる。従って上述した、整合体との接続の前に、少なくとも、整合体１４０の方を向いている接触接続部、例えば接続コンタクト１４８、１５０のうちの１つが既に被着されるべきである。この場合には、整合体１４０内に空白部分が設けられるべきである。この空白部分はこのような接触接続部を収容することができる。択一的または付加的に、周りを囲まれた電極を備えた圧電変換器素子１３８を使用することができるこれは、整合体１４０との接続後に、背面から接触接続される。両方の場合において、接続コンタクト１４８、１５０、例えばコンタクトワイヤーは、接触接続の後に案内され、保持される。また、ハウジングスリーブ１３２の壁部セグメント１３８が曲げられる。次に、このようにして生じた、ハウジングスリーブ１３２の後方壁上に接続コンタクト１４８、１５０が下ろされ、この上で同様に接触接続される。ハウジングスリーブ１３２自体は例えば、金属製のスリーブとして構成され、ＥＭＶシールド（電磁的なシーリング）として、接続コンタクト１４８、１５０のうちの１つ（図３では接続コンタクト１４８）と接続される。最後に、内部空間１２８が、緩衝注入物１５４の形状の緩衝素子によって鋳込み充填される。このような緩衝注入物１５４は殊に、減結合素子１１４、殊に内張り１１６よりも格段に硬い。このようにして緩衝注入物１５４は、充分な量の音響エネルギーを、圧電変換器素子１３８から受容する。圧電変換器素子１３８と整合体１４０との間のオプショナルの接着部分の硬化はオプショナルで、同時に、緩衝注入物１５４の硬化と同時に行われる。

上述した構造の様々な変更が可能である。従って、圧電変換器素子１３８の接触接続を例えば、１つのワイヤーのみによっておよび／または１つの金属形成コンパウンドのみを介して形成することができる。ここでは例えば圧電変換器素子１３８の別の電極が既に、ハウジングスリーブ１３２（例えば金属スリーブ）内で、ハウジングスリーブと導電性接続されていてもよい。緩衝注入物１５４を、鋳込みと択一的または付加的に、上述のように、形成コンパウンドとして挿入することができる。これは、本発明では、まだ、概念「緩衝注入物」として理解される。このような形成コンパウンドは例えば、封鎖素子１３４ないし壁部セグメント１３６の封鎖によって、圧電変換器素子１３８に対して押される。従って、圧電変換器素子は緩衝されるおよび／または２つの接触接続部のうちの少なくとも１つが、製造プロセスの間に固定されるおよび／または押し当てられる。圧電変換器素子１３８の接触接続、例えば接続コンタクト１４８、１５０との接続がさらに、択一的または付加的に、導電性接着、はんだ付け、ワイヤーボンディング、熱圧縮溶接または上述した技術および／または別の技術の組み合わせによって行われる。

さらに、円柱形のハウジングスリーブ１３２に減結合材料および緩衝材料が、減結合素子１１４の一部として、実質的に円周に内張りされる設計も可能である。この場合にはこのハウジングスリーブ内に、整合体１４０、例えば整合層および／または圧電変換器素子１３８が埋設される、および／またはハウジングスリーブは、整合体１４０および／または圧電変換器素子１３８上にかぶせられる。ここで付加的に、密閉がコーティングおよび／または薄膜によって行われる。

そもそも、ハウジングスリーブ１３２が背面１２０上にできるだけ小さい空白部分を有するのは、良好な耐圧性に有利である。封鎖素子１３４による完全な封鎖が最良であろう。なぜなら、この場合には減結合素子１１４、例えば内張り１１６は、基本的に非常に軟らかくなるからである。減結合素子１１４の減結合質量体が圧縮可能でない場合には、超音波変換器１１０の前面１１８上の放射面にわたって均一に作用する流体媒体の圧力によって変換器中心部、殊に圧電変換器１３８の位置は変化しない。さらに、減結合が減結合素子１１４、殊に内張り１１６を介して、ハウジング１１２の背面１２０に沿って延在するのは有利である。これは図１および２に示されている。なぜならこれらの図面では内張り１１６は壁部セグメント１３６にわたっても延在しているからである。これによって、緩衝注入物１５４が最適な耐圧性のために、間接的にハウジング１１２の背面壁部に接する必要がなくなる。接する場合には固体伝搬音は、緩衝注入物１５４の硬度が高いので、これによって、ハウジング１１２に伝達されてしまうであろう。これは同じように、取り付けられた第２の超音波変換器１１０の近傍においてノイズ信号を生じさせてしまうだろう。

図１〜３に示された、ハウジングスリーブ１３２の壁部セグメント１３６の撓みに対して択一的に、ハウジング１１２の後方壁部が、例えばキャップ形状の別個の構成部分によって形成されてもよい。このような別個の構成部分は、固定素子、例えば固定用突起を介して固定される。このような場合にはキャップが例えば事前に同じように、減結合材料ないしは内張り１１６によって内張りされる。または、キャップがその上に載置され前に、減結合材料が背面側で、緩衝素子ないしは緩衝注入物１５４上に被着される。基本的に、本発明のこの構成または別の構成において、緩衝注入物１５４の注入および湾曲によるハウジング１１２の背面壁部の封鎖は、別個の構成部分または類似の封鎖手段によって、またはその逆によっても行われる。

ハウジングスリーブ１３２は、上述のように、殊に金属材料から製造される。しかし択一的または付加的に、ハウジング１３２をプラスチックから製造することができる。特に有利であるのは、図１〜３の実施例に示された、折り曲げ縁１２６の形状のインターフェースである。より硬いインターフェースの別の形状も可能である。市販されている多くの超音波変換器とは異なり、減結合はインターフェースとしてハウジング１１２の外に位置する。従って、これが構造方法によって、超音波変換器１１０自体で密閉されることが回避される。

整合体１２０は種々異なる方法で構成される。例えば、整合体１４０は整合層として構成される、および／または整合層を含む。整合体は、例えば、熱によって、化学的にまたは光化学的に硬化可能なまたは架橋可能なポリマー材料を含んでいる。このポリマー材料は例えば、シンタクチック材料、熱硬化性材料、殊にエポキシ樹脂、ポリエステル、フェノール樹脂またはシアン酸エステル、熱可塑性プラスチック、エラストマー、殊にシリコーン、ポリマーブレンド、ポリイミド、殊にＫａｐｔｏｎ^（Ｒ）または上述した材料および／または別の材料の混合物を含む。この他に、このポリマー材料はさらに、殊に密度を低減するいために、少なくとも１つの充填物を含むことができる。これは殊に、以下の充填物の少なくとも１つである：中空空間（例えば泡によって形成された中空空間）、繊維、ガラス中空球、プラスチック中空球、液状充填物（殊に、ポリマーの架橋中または架橋後に流出可能または除去可能な充填物）または、上述したおよび／または別の充填物材料の組み合わせ。択一的にまたは付加的に、整合体１４０をエポキシ樹脂ガラス中空球混合部も含むことができる。同じように択一的または付加的に、上述のように、整合体１４０は、多孔性に焼結されたポリイミド、殊に、いわゆるＶｅｓｐｅｌ^（Ｒ）も含むことができる。整合体、殊にＶｅｓｐｅｌ^（Ｒ）整合層に、さらなる処理の前に、コーティングを行うこともできる。これは例えば、パリレンコーティングである。このようなコーティングは例えば、整合体１４０の表面で孔が封鎖され、後続の処理ステップにおける接着剤の浸透が抑圧されるように行われる。

超音波変換器１１０はさらに、整合体１４０および密閉薄膜１４４の外側に、場合によってはさらなる層を含むことができる。これは例えば付加的な整合層および／または補償そうおよび／または安定化素子であり、これらは例えば、熱的および／または機械的および／または音響的な整合作用を有している。これらのさらなる層は例えば圧電変換器素子１３８と、場合によってはコーティングされている整合体１４０との間、および／または整合体１４０と密閉薄膜１４４との間に収容される。

超音波変換器１１０が金属材料を、例えば金属ハウジング１１２の形状で含んでいる場合、これは密閉薄膜１４４によって、流体媒体に対しても、前面１１８上で電気的に絶縁される。このために有利には、密閉薄膜１４４は完全にまたは部分的に、電気的絶縁性材料から製造される。しかしハウジング１１２の導電性構成部分および／または導電性薄膜または層を同時に、ＥＭＶ措置としても（殊にシーリングとして）用いることができる。

Claims (23)

1. 流体媒体内で使用される超音波変換器（１１０）であって、
   少なくとも１つの圧電変換器素子（１３８）と、
   当該圧電変換器素子（１３８）と流体媒体との間の振動入力を促進する少なくとも１つの整合体（１４０）と、
   ハウジング（１１２）とを備えており、
   前記圧電変換器素子（１３８）は当該ハウジング（１１２）内に収容されており、
   当該ハウジング（１１２）は、流体媒体に向けられている少なくとも１つの開口部（１２２）を有しており、
   前記整合体（１４０）は少なくとも部分的に当該開口部（１２２）内に収容されており、
   前記超音波変換器（１１０）はさらに、少なくとも１つの密閉素子（１４６）を有しており、
   当該密閉素子（１４６）は、前記整合体（１４０）と前記ハウジング（１１２）との間の少なくとも１つの間隙（１５８）を密閉し、前記ハウジング（１１２）の内部空間（１２８）は、前記流体媒体に対して密閉され、ここで前記密閉素子（１４６）は密閉薄膜（１４４）を有しており、当該密閉薄膜（１４４）は、前記整合体（１４０）と前記開口部（１２２）とを取り囲んでいる、前記ハウジング（１１２）の端面（１２４）を少なくとも部分的に覆っており、ここで前記密閉薄膜（１４４）は１００μｍ未満の厚さを有しているものにおいて、
   前記密閉素子（１４６）は少なくとも１つの減結合素子（１１４）を含んでおり、当該減結合素子は少なくとも部分的に前記ハウジング（１１２）と前記整合体（１４０）との間に挿入されており、ここで前記減結合素子（１１４）は、前記ハウジング（１１２）と前記整合体（１４０）との間の固体伝搬音の少なくとも部分的な分離が保証されるように構成されており、前記減結合素子（１１４）は少なくとも１つのプラスチック材料を含んでおり、前記プラスチック材料は、４０未満のショアＡ硬度を有しており、
   前記減結合素子（１１４）は、前記ハウジング（１１２）の内面の内張り（１１６）を含んでいる、
   ことを特徴とする超音波変換器（１１０）。
2. 前記密閉薄膜（１４４）は２５μｍ未満の厚さを有している、請求項１記載の超音波変換器（１１０）。
3. 前記密閉薄膜（１４４）は少なくとも１つの金属フィルムおよび／または少なくとも１つのプラスチックフィルムを備えている、請求項２記載の超音波変換器（１１０）。
4. 前記減結合素子（１１４）はエラストマー材料を含んでいる、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）。
5. 前記エラストマー材料はポリウレタンおよび／またはシリコーン材料である、請求項４記載の超音波変換器（１１０）。
6. 前記シリコーン材料は液状シリコーンである、請求項５記載の超音波変換器（１１０）。
7. 前記エラストマー材料のショアＡ硬度は２５未満である、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）。
8. 前記ハウジング（１１２）内の残余の中空空間は、緩衝素子によって充填されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）。
9. 前記緩衝素子は緩衝注入物（１５４）である、請求項８記載の超音波変換器。
10. 前記ハウジング（１１２）はハウジングスリーブ（１３２）を備えており、当該ハウジングスリーブは、流体媒体の方に向けられている開口部（１２２）並びに少なくとも１つの第２の開口部（１３０）を有しており、
    当該第２の開口部（１３０）は少なくとも１つの封鎖素子（１３４）によって封鎖されており、
    前記圧電変換器素子（１３８）の少なくとも１つの電気接続コンタクト（１４８、１５０）は当該第２の開口部（１３０）を通って、前記ハウジング（１１２）の外面へ案内されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）。
11. 前記ハウジングスリーブ（１３２）は金属スリーブである、請求項１０記載の超音波変換器（１１０）。
12. 前記第２の開口部（１３０）は背面開口部である、請求項１０または１１記載の超音波変換器（１１０）。
13. 前記封鎖素子（１３４）は、前記ハウジング（１１２）の少なくとも１つの可撓性の壁部セグメント（１３６）および／または少なくとも１つの封鎖キャップを有している、請求項１０記載の超音波変換器（１１０）。
14. 前記封鎖素子（１３４）は、前記ハウジングスリーブ（１３２）の少なくとも１つの可撓性の壁部セグメント（１３６）および／または少なくとも１つの封鎖キャップを有している、請求項１３記載の超音波変換器（１１０）。
15. 前記ハウジング（１１２）は外面上に、少なくとも１つのインターフェース素子を、測定チャンバとの接続のために備えている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）。
16. 前記インターフェース素子は折り曲げ縁（１２６）である、請求項１５記載の超音波変換器（１１０）。
17. 前記測定チャンバは、流体媒体を案内する流管である、請求項１５または１６記載の超音波変換器（１１０）。
18. 流体媒体内で使用される、請求項１から１７までのいずれか１項記載の超音波変換器（１１０）を製造する方法であって、
    少なくとも１つの圧電変換器素子（１３８）をハウジング（１１２）内に挿入し、前記ハウジング（１１２）は、流体媒体の方に向けられている少なくとも１つの開口部（１２２）を有しており、圧電変換器素子（１３８）と流体媒体との間の振動入力を促進する少なくとも１つの整合体（１４０）を少なくとも部分的に前記開口部（１２２）内に挿入し、
    さらに少なくとも１つの密閉素子（１４６）を前記整合体（１４０）および前記ハウジング（１１２）と接続させ、当該密閉素子（１４６）は、前記整合体（１４０）とハウジング（１１２）との間の少なくとも１つの間隙（１５８）を密閉し、前記ハウジング（１１２）の内部空間（１２８）は、前記流体媒体に対して密閉され、ここで前記密閉素子（１４６）は密閉薄膜（１４４）を有しており、当該密閉薄膜（１４４）は、前記整合体（１４０）と前記開口部（１２２）とを取り囲んでいる、前記ハウジング（１１２）の端面（１２４）を少なくとも部分的に覆っており、ここで前記密閉薄膜（１４４）は１００μｍ未満の厚さを有している、方法において、
    前記密閉素子（１４６）は少なくとも１つの減結合素子（１１４）を含んでおり、当該減結合素子は少なくとも部分的に前記ハウジング（１１２）と前記整合体（１４０）との間に挿入されており、ここで前記減結合素子（１１４）は、前記ハウジング（１１２）と前記整合体（１４０）との間の固体伝搬音の少なくとも部分的な分離が保証されるように構成されており、前記減結合素子（１１４）は少なくとも１つのプラスチック材料を含んでおり、前記プラスチック材料は、４０未満のショアＡ硬度を有しており、
    前記減結合素子（１１４）は、前記ハウジング（１１２）の内面の内張り（１１６）を含んでいる、
    ことを特徴とする、超音波変換器を製造する方法。
19. 前記整合体（１４０）を前記ハウジング（１１２）と、１つの接続ステップにおいて、密閉素子（１４６）を介して接続し、
    少なくとも３つの相互に接続された個別部分（１１２、１４０、１４４、１１４）を含んでいる構造グループを形成する、請求項１８記載の方法。
20. 前記接続ステップは、唯一の接続ステップである、請求項１９記載の方法。
21. 前記密閉素子（１４６）は少なくとも１つの密閉薄膜（１４４）および／または少なくとも１つの減結合素子（１１４）である、請求項１９または２０記載の方法。
22. 少なくとも１つの密閉薄膜（１４４）を、前記開口部（１２２）を取り囲んでいる、ハウジング（１１２）の端面（１２４）および前記整合体（１４０）の面と接続する、請求項１８から２１までのいずれか１項記載の方法。
23. 前記接続を、高い温度下で、前記密閉薄膜（１４４）の材料と前記ハウジング（１１２）の端面（１２４）の材料と前記整合体（１４０）の面の材料を結合することおよび／またはプレスによって行う、請求項２２記載の方法。

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