超声波换能器和制造超声波换能器的方法

超声波换能器和制造超声波换能器的方法
【专利说明】超声波换能器和制造超声波换能器的方法
[0001]本发明涉及超声波换能器，其中该超声波换能器包括外壳和插入外壳中的空腔内的压电元件。空腔被布置在外壳中的覆盖装置覆盖。弹簧被布置在覆盖元件和压电元件之间，所述弹簧向压电元件施加弹簧力。本发明进一步涉及装配超声波换能器的方法，并且涉及用于安装进超声波换能器的外壳中的配件。
[0002]此类超声波换能器被用于大量测量。用于测量目的的超声波通过由于电压的变化而震荡的压电元件产生。以这种方法产生的超声波直接或在界面上反射后被接收器接收。接收器将作用在其上的超声波信号转换回电压的变化。引言部分中引用的这类超声波换能器同样地适合作为接收器，使得其既可被用作超声波信号的发生器，也可被用作超声波信号的接收器。例如，此类超声波换能器被用作压力传感器或灌注水平传感器。其已经被证明作为用于流量计的传感器是特别有效的。
[0003]使用超声波流量计可测定流经管线的介质的流动速率，而不要大量的支出。多种方法可被用于测量目的，由超声波换能器发出的超声波信号的传播时间差测量是经常使用的方法。管线中的质量通流速率或体积通流速率可随后从获得的测量结果中被高精确度地计算出。
[0004]超声波流量计的特别优势在于，其不需要必须被安装在待测量的管线中，而是也可被用作所谓的外夹式(clamp-on)测量装置。在许多情况下，为了测量目的，将超声波换能器固定在管线的外部是完全适合的。非侵入式测量提供了可省去管线中的开口的优势，所述开口对插入传感器是必需的。在这里完全不发生与密封性有关的问题。进一步的优势是，外夹式测量装置不在管道横截面产生任何干扰，并且因此不存在测量结果被由传感器引起的流动的局部变化破坏的风险。
[0005]除固定使用外，无需大量支出即可被安装的外夹式流量计也适于在变化的测量位置上移动使用。为了这个目的，只需要将所述外夹式流量计校准于各自的管线横截面和用于管道的壁的材料。
[0006]超声波换能器基本上包括压电元件，其被插入在超声波换能器的外壳中形成的空腔内。被插入空腔内的压电元件通过弹簧力从内部挤压外壳的该外壁。至于外壳的其余部分，空腔被覆盖装置关闭，所述空腔通常被简单的板覆盖。
[0007]为安全起见，需要此类覆盖装置，因为在大多数情况下，超声波换能器的内部在安装压电元件后具备灌封封装。覆盖空腔的板意欲当超声波换能器被灌封时防止液体灌封化合物进入空腔并使得弹簧元件的作用不能实现。此外，板可被用作弹簧的支座，其将压电元件挤向外壳内壁。
[0008]尽管超声波换能器只具有几个组件，但是所述部件的装配是相对复杂的。在外壳可被灌封前，压电元件首先必须与外部接触连接。这借助于电缆实现，其被布置(route)在外壳中并且连接压电元件至超声波换能器的连接件，所述连接件被提供在外壳的背面上。开口或电缆通道被提供在覆盖空腔的板中，为了将所述电缆布置出空腔，电缆必须穿过所述开口或电缆通道。远离压电元件的电缆连接件的那一末端被焊接于超声波换能器的外部接口，也就是说，所述超声波换能器的连接件在外壳上。此外，阻抗匹配几乎总是需要的。所述阻抗匹配通过电感器的互连实现。
[0009]在完成敷设电缆后，空腔必须与外壳的剩余部分封闭。只位于空腔上的板不完全关闭所述空腔；不可能以这种方法可靠地防止灌封化合物进入空腔。为了能够以尽可能简单的方式确保空腔的密封性，板被粘结地结合至外壳。为了这个目的，板被放置于空腔上方期望的位置并被固定在那里，例如使用夹板。所述板随后沿着外壳被提供粘合剂，所述粘合剂在其固化后将板连接至外壳并密封空腔。存在于板中的开口被同样地粘结地结合并且因此关于穿过所述开口敷设电缆密封。
[0010]本申请的目标是提供超声波换能器，与引言部分中所述那类超声波换能器相比，所述超声波换能器的制造更简单。还提出了可预制的配件和利用其可快速和简单地装配超声波换能器。此外，提出了简化超声波换能器的装配的方法。
[0011]各个目标分别通过权利要求1、9和11的特征实现。有利的改进可在相关的从属权利要求中发现。
[0012]在根据本发明的超声波换能器的改进中，所述超声波换能器具有电镀化通过(plate-through)覆盖装置的多个导体轨道或电导体。在每一种情况下导体轨道之一连接被布置在覆盖装置面向压电元件的那面上的接触区至覆盖装置的相对面上的接触区。结果，覆盖装置几乎以一类印制电路板或印制电路的形式。电导体因此被整合进覆盖装置中，也就是说，其与覆盖装置完整地形成。压电元件在面向空腔的那面上被连接至覆盖装置，并且超声波换能器的外部接口一一所述接口被布置在外壳上一一被连接至远离空腔的那面。结果，不仅可能省去将电缆穿过覆盖装置上的孔口的过程，如为了进行与压电元件的接触的目的所需要的，而且也不再需要开口本身。结果，也不需要在灌封该超声波换能器之前关闭和密封所述开口，如其他方式所要求的。为了关闭空腔，现在只需要将覆盖装置插入超声波换能器内。
[0013]连接压电元件至外部接口的电缆因此不再必须按路径通过开口，而是两个单独的电缆分别与在覆盖装置的一面上为其提供的接触点接触。第一电缆连接压电元件至覆盖装置，第二电缆连接覆盖装置至超声波换能器的外部接口。第一电缆和第二电缆通过覆盖装置再次相互连接。被整合进覆盖装置的导体轨道因此是电气连接件的一部分，所述电气连接件接触连接压电元件至超声波换能器的外部接口，该外部接口被布置在外壳上。
[0014]该方案的一个非常特别的优势在于，其允许根据本发明的超声波换能器的元件在被安装进换能器外壳内之前，预先被组装在一起成为配件。所提出的可以预制的配件具有用于关闭超声波换能器中的空腔的覆盖装置，提供该空腔以接收压电元件，其中覆盖装置包括根据本发明的电导体，其电镀化通过覆盖装置，并且其中配件具有连接至电导体的压电元件，并且其中弹簧元件被布置在压电元件和覆盖元件之间。此配件优选地在超声波换能器的外部是已经装配的，由于以这种方法，从所有侧面进入是容易地可能的。特别地，以这种方法压电元件和覆盖元件是容易进入的，并且可没有障碍地彼此连接。随后只需要将预制的配件进一步连接至超声波换能器的外部接口。覆盖装置的接触点一一该接触点为了此目的被提供一一本身在配件被放置后仍然容易进入。结果，超声波换能器的装配被大大简化。
[0015]至少导体轨道的接触点一一该接触点被布置在覆盖装置避开压电元件的那面上一一优选地为焊接区域的形式。将接触点设计为焊接区一一所谓的焊接衬垫，另外地简化了与电缆接触的过程并且因此进一步加速超声波换能器的装配。
[0016]在特别优选的实施方式中，覆盖装置包括至少一个电气或电子组件。这允许此类组件被提供在压电元件的连接件中和超声波换能器的外部接口中，无需所述组件首先必须以复杂的方式相互连接成连接件。在组装前，组件可以已经被连接至覆盖装置的导体轨道，并且因此在超声波换能器的装配期间，不需要除第一电缆和第二电缆的触点式连接件以外的额外的连接件。
[0017]覆盖装置优选地包括至少一个用于压电元件的阻抗匹配的电感器。如前所述，每隔一定时间需要阻抗匹配。如果印制电路已经装有被插入导体轨道内的电感器，则线圈的自由选择布线可被省去，否则其必须在触点式过程期间实施。
[0018]当覆盖装置包括有源电子组件时是特别有利的，例如到达在超声波换能器中使用的压电元件的传感器查定电路(identifier)。
[0019]在一个特别优选的实施方式中，超声波换能器具有借助于卡口式装配件被保持在转换器外壳中的覆盖装置。本发明的此方面的本质的基本概念是设计覆盖装置和换能器外壳之间的连接件成为自承式的。为该目的提出的转动插塞连接件允许以本来已知的方式联锁两个部件之间的连接件。
[0020]覆盖装置被卡口式装配件固定关闭在覆盖空腔的期望位置中。在这种情况下，被布置在覆盖装置和压电元件之间的弹簧元件额外地帮助密封空腔。通过弹簧元件施加在压电元件上的弹簧力以相反方向将覆盖装置压向卡口式装配件的外壳末端部分并且密封空腔。以这种方法建立的联锁连接件允许粘合地结合覆盖装置至外壳的额外的工作步骤，其为先前需要的将被省去。结果，覆盖装置因此也不再必须被固定在位置处，如先前对于粘合结合目的是必须的。以这种方法，超声波换能器的装配被显著简化。
[0021 ] 卡