专利名称：用于在流体介质中使用的超声波换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种已知的超声波换能器，其例如可以用在工艺技术和/或汽车领域中的超声波流量计中，尤其是可以用内燃机的进气歧管和/或废气歧管中。尤其是这样的超声波换能器被设置用于测量空气流量，其中，但是基本上也可以用于测量其它流体介质、 即气体和/或液体的流量。超声波换能器的例子在DE 10 2007 010 500 Al以及在那里引用的现有技术中提到。在那里描述的超声波换能器基本上也可以在本发明的范围中按照本发明改进和/或制造。所述类型的超声波换能器尤其是设置用于测量空气流量，例如以便在内燃机的系统控制装置内部导出空气量信号。
背景技术：
如例如由DE 10 2007 010 500 Al已知，在很多超声波换能器中，匹配层或匹配体用于改善到流体介质中的声辐射和/或来自流体介质的超声波的接收。例如具有声辐射式谐振体或匹配体、例如金属隔膜和/或λ /4阻抗匹配体的超声波换能器是已知的。在符合特殊的压力要求的超声波换能器或超声波流量计中，声辐射面大多是换能器壳体或流量管的集成组成部分或者坚硬地连接到这些构件上，使得通常没有相对于固体声传播的足够脱耦。如果要改善相对于固体声传播的脱耦，那么因此需要更软的固定材料。 但是，由于压力要求，固定装置和/或脱耦材料必须支承在壳体上，使得在声辐射面的活动区域中必然又最强烈地引起热膨胀。补偿运动使得介质密封的换能器设计更加困难。由在后公布的专利申请DE 10 2008 055 126. O和DE 10 2008 055 116. 3由本专利申请的申请人的同族已知超声波换能器，其中在壳体和具有压电换能器元件的换能器之间安放阻尼元件，例如阻尼填料。一般来说，为了固体声脱耦经常使用弹性体，例如O形环或硅树脂模型件。这些解决方案就其本身而言通常不提供足够的用于安装情形的介质阻挡，尤其是在车辆中。因此，硅树脂可以例如在水分和/或碳水化合物的影响下涌出和/ 或渗析，并且可以在硅树脂和周围环境之间形成裂缝。因此，为了超声波换能器的密封通常使用密封元件，例如呈蒸镀上的涂层、例如聚对二甲苯或密封膜的形式。密封膜的使用例如也在DE 10 2008 055 116. 3中描述。但是，纯涂层的缺点通常在于涂层的机械粘着少，尤其是在剪切载荷下，如其在不同基底材料的过渡区中出现的那样。例如在机械或热应力的情况下，脱耦材料相对于阻抗匹配层或换能器壳体移动，使得在该侧涂层可能撕裂。在使用膜时热和机械载荷在很多情况下至少导致膜的膨胀载荷，使得膜本身或其粘接被强烈地加载。
发明内容
因此建议一种用于在流体介质中使用的超声波换能器以及一种用于制造超声波换能器的方法。所建议的超声波换能器可以尤其是根据所建议的方法制造，并且该方法可以被用于制造按照本发明的超声波换能器。相应地，对于方法的可能设计方案可以参考对建议的超声波换能器的不同实施方式的描述，反之亦然。但是其它的设计方案基本上也是可行的。建议的超声波换能器包括具有至少一个声电换能器兀件的至少一个换能器芯。声电换能器元件在此基本上理解为一个换能器元件，其被配置用于将声学信号、例如超声波信号转换为电信号以及将电信号转换为声学信号。尤其地，声电换能器元件可以包括至少一个压电换能器元件，例如具有至少一个压电陶瓷。此外，换能器芯还可以包括其它元件， 例如至少一个匹配层和/或匹配体，以便至少部分地匹配声电换能器元件和流体介质之间的阻抗。在这种匹配元件的可能设计方案方面可以参考上面引用的现有技术，例如DE 10 2007 010 500 AU DE 10 2008 055 116. 3 或 DE 10 2008 055126.0。在那里示出的匹配体和/或匹配层和/或匹配元件(其中，在下面对于这种元件统称地使用概念匹配体)也可以在本发明的建议的超声波换能器的换能器芯中使用。换能器芯尤其是可以具有柱形造型，例如圆柱体和/或具有多边形横截面的柱体的造型。但是其它设计方案也是可行的。建议的超声波换能器还包括至少一个壳体。例如在此可以是塑料壳体和/或金属壳体。该壳体可以完全地或部分地包围换能器芯。例如，该壳体可以具有柱形形状，具有壳体内部空间，换能器芯接收在该壳体内部空间中。壳体包括向着流体介质的至少一个壳体开口。例如可以具有换能器芯的辐射面，即这样一个面，声学信号可以通过该面从换能器芯向流体介质发射或者从流体介质接收声学信号，该辐射面指向该开口和/或设置在该开口的内部。为了相对于流体介质的不期望的影响、例如温度和/或压力影响和/或介质影响屏蔽超声波换能器的壳体内部空间，所述至少一个壳体开口通过至少一个与换能器芯连接的密封膜至少部分地密封。优选地，该开口完全通过至少一个密封膜封闭。密封膜可以例如这样地与换能器芯连接，使得换能器芯的辐射面大面积地支承在密封膜上。例如，辐射面可以平地构成并且与密封膜接触，例如与密封膜连接，尤其是通过材料锁合的连接例如粘接连接。密封膜此外也可以与壳体的包围壳体开口的边缘连接、例如通过与该边缘形状锁合地连接、尤其是粘接。密封膜在此基本上被理解为任意的膜，该膜相对于流体介质至少部分是密封的。膜通常被理解为柔性或可变形的元件，该元件的横向延伸长度显著超过其厚度， 例如以至少一个因素10、优选以至少一个因素100或甚至至少一个因素1000超过其厚度。 例如，这样的膜可以构造成隔膜状的。相应地，密封膜例如可以如在DE 102008 055 116.3 中描述的那样构成。密封膜的其它设计方案和可能的材料在下面详细地说明。密封膜可以尤其是包括塑料材料。尤其是在此可以使用以下材料中的一种或多种聚醚醚酮(PEEK)； 聚苯硫醚(PPS);聚酰亚胺(尤其是Kapton );液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer, LCP);碳氟化合物，例如特氟龙或聚四氟乙烯(PTFE)或例如全氟乙丙烯共聚物(FEP);聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。但是其它材料基本上也是可使用的，例如耐高温的热塑性的塑料材料。但是变换地或附加地基本上也可以使用其它用于密封膜的材料，例如金属材料如尤其是金属膜。密封膜还可以连带包括粘接剂层。密封膜可以尤其是具有不超过50 μ m、优选不超过25 μ m的厚度。如上所述，在使用膜来密封时的问题在于，热和机械载荷可能导致膨胀载荷，膨胀载荷可能对膜本身或其固定、例如其与换能器芯和/或壳体的粘接施加载荷。为了解决该问题建议，密封膜具有至少一个膨胀变形部，其中，膨胀变形部被配置成能够实现换能器芯和壳体之间的相对运动。由此，该膨胀变形部基本上类似于波纹管起作用或者可以甚至至少部分地构造为这样的波纹管。膨胀变形部可以例如具有一个变形部，该变形部含有密封膜的一个曲率，例如不同于其它基本上平的密封膜设计方案的曲率。膨胀变形部可以基本上理解为密封膜的任意变形部，其能够实现换能器芯和壳体之间的相对运动，尤其是在横向方向上、即平行于密封膜的面的相对运动。尤其地，膨胀变形部可以被构造成不仅接收压力载荷和拉力载荷而且接收平行于密封膜的剪切载荷并且在一定的边界内基于其从密封膜的一般的延伸平面中变形出来而被补偿。例如，膨胀变形部可以包括膨胀褶皱和/或挤压褶皱，即任意的褶皱和/或扭曲，其能够不仅接收压力载荷和拉力载荷而且能够接收剪切载荷。膨胀变形部尤其是可以具有以下变形部中的至少一个伸入到流体介质中的膨胀褶皱；伸入到所述壳体的壳体内部空间中的膨胀褶皱；波纹管；阶梯形的变形部，其中，阶梯形的变形部从所述密封膜的一个第一平面转变为所述密封膜的一个第二平面。不同的设计方案在下面举例地描述。所述至少一个膨胀变形部在此可以优选这样地构成，使得其设置在换能器芯外部并且设置在壳体外部。因此例如能够在壳体和换能器芯之间构成至少一个中间空间，例如环形的中间空间。膨胀变形部可以尤其是至少部分地、优选完全地在中间空间的区域中构成。例如，壳体可以具有一个边缘，该边缘包围壳体开口，其中，辐射面，例如平的辐射面，设置在该边缘内部并且被该边缘优选完全包围。在边缘和辐射面之间可以构成中间空间。密封膜在该情况中可以例如完全覆盖壳体开口，即至少部分地覆盖边缘、中间空间和辐射面。膨胀变形部可以例如以膨胀褶皱或波纹管的形式在中间空间的区域中构成。密封膜可以尤其是与壳体、例如壳体边缘在壳体开口的区域中材料锁合地连接并且与所述换能器芯、尤其是所述换能器芯的辐射面材料锁合地连接。尤其地，密封膜可以与这些元件粘接。但是与这些元件的其它连接基本上也是可行的，例如变换地或附加地，通过形状锁合和/或力锁合的连接。在壳体和换能器芯之间可以如上所述尤其是构成至少一个中间空间、尤其是环形的中间空间。该中间空间可以优选至少部分地通过至少一个脱耦元件填充，其中，该脱耦元件被配置用于阻尼壳体和换能器芯之间的固体声传递。为此目的， 脱耦元件可以例如具有一种材料、尤其是可变形的材料和/或具有合适填料的材料，例如通过空穴和/或气泡和/或可变形的夹杂物的填料。例如由空穴和/或气泡组成的填充材料能够可选地与其它填料的附加填充一起使用。例如，可以选出用于脱耦元件的弹性体材料或软的热塑性材料。脱耦元件的不同设计方案和例子在下面被说明。脱耦元件同样可以与密封膜连接，尤其是在膨胀变形部的区域中。如下所示，膨胀变形部尤其是在将脱耦元件安置在中间空间中时构成，例如通过脱耦元件的过压和/或负压和/或提高的温度至少在安置期间构成。除了在上述实施方式的一个或多个中的超声波换能器，还建议一种用于用于制造用于在流体介质中使用的超声波换能器、尤其是根据上述实施方式的一个或多个的超声波换能器的方法。在建议的方法中，具有至少一个声电换能器兀件的至少一个换能器芯被安放到至少一个壳体中。至少一个壳体开口相对于流体介质通过一个与所述换能器芯连接的密封膜至少部分地密封。所述密封膜被这样地构成，使得所述密封膜具有至少一个膨胀变形部，所述膨胀变形部被配置成能够实现所述换能器芯和所述壳体之间的相对运动。在所述换能器芯和所述壳体之间可以构造至少一个中间空间。所述中间空间至少部分地通过至少一个脱耦元件填充。所述脱耦元件在此被配置成阻尼所述壳体和所述换能器芯之间的固体声传递。所述膨胀变形部至少部分地在将所述脱耦元件安放到所述中间空间中时被构成。这可以例如通过高的注射压力实现，如其例如在液态硅树脂中在很多情况中使用的那样。变换地或附加地，膨胀变形部也可以完全或部分地在另一个时间点产生。例如，膨胀变形部也可以通过在安置之后、例如在浇注和/或注射之后通过已安置的脱耦元件的收缩形成。尤其地，收缩部在脱耦元件和/或脱耦元件的原材料的固化和/或交联和/ 或冷却之后出现。这可以例如在使用硅树脂作为脱耦元件时实现。再次变换地或附加地， 膨胀变形部也完全地或部分地通过在安置脱耦元件时使用的模具、例如浇注模具或其它类型的浇注模型引起、受益或至少被支持。这也可以与产生通过耦合元件的过压和/或收缩的膨胀变形部的上述选项结合。例如，通过模具底面支持通过收缩产生膨胀变形部，在该模具底面中不设置凹部，而是设置环形凸起，其在浇注、固化或冷却之前和/或期间和/或之后压入到匹配体和换能器壳体之间的中间空间中。各种其它的设计方案是可行的并且对于技术人员可基于说明书实现。为了安放所述脱耦元件，可以例如将一个可变形的材料、例如用于形成脱耦元件的原材料(例如脱耦元件的预产品)、尤其至少一个能流动的材料浇注和/或压入和/或注射到所述中间空间中。例如为此目的可以使用传统的注塑工艺和/或压铸工艺和/或传统的浇注工艺。该工艺也可以在使用高压和/或提高的温度下执行。特别优选地，脱耦元件包括硅树脂、尤其是液态硅树脂。这样的液态硅树脂 (Liquid Silicone Rubber,LSR)是低成本并且热硫化的具有至少两种组分的娃树脂,其相加地交联。它们可以例如在成型工艺中被安设在中间空间中，该成型工艺在下面也称为LSR 工艺或LSR方法。在此，这些组分可以例如在多组分混合和配量设备中被输入给混合模块， 尤其是在提高的压力下。例如，混合可以在I : I的比例中进行。其它的添加剂也可以被混合。接着可以例如通过借助LSR蜗杆单元将混合的材料注射到被加热的模具中。输入单元、例如LSR蜗杆单元可以例如被温度处理到20至25°C的低温。代替模具在建议的方法中使用壳体和换能器元件之间的中间空间，其中，该中间空间或者说其壁同样可以被加热。中间空间可以附加地在注射反应材料混合物之前被抽真空。LSR工艺对于技术人员基本上是已知的并且可以在本发明的范围中有利地使用，以便制造脱耦元件并且在制造中优选也同时构成膨胀变形部。建议的超声波换能器和建议的方法相对于已知的超声波换能器和已知的方法具有大量优点。尤其是能够以有效的方式避免上述的在密封膜中的应力。虽然超声波换能器领域中的变形的膜或隔膜原则上由扬声器技术领域已知。但是在那里隔膜大多圆形地围绕主动的辐射面表现为隆起形式。该区域本身用作脱耦的悬挂装置。相反，通过本发明不仅承担换能器芯的悬挂功能和换能器芯与填充的脱耦元件的超声波脱耦功能，膜仅仅用于免受介质影响并且基于变形在压力影响和压力变形时不受载荷。因此，本发明能够实现抵抗介质的超声波换能器，其同时含有固体声脱耦并且对于在恶劣条件下的使用足够的压力和温度稳定性，例如在汽车的进气歧管中。在此，作为安装位置不仅考虑低压侧而且考虑涡轮增压器或增压空气冷却器之后的增压侧。在发动机控制的范围中，建议的超声波换能器不仅对于客车而且对于货车不仅适合汽油领域中的空气质量检测而且适合柴油领域中的空气质量检测。尤其地，在货车时，在增压空气冷却器之后的安装位置是有利的，但是该安装位置含有更高的压力和/或介质要求，例如最高达6巴的压力要求、相对于油和废气成分或类似物的密封性。但是这些要求可以通过按照本发明的超声波换能器很好地得到满足。膨胀变形部在此可以如上所述以各种方式构成，而不会由此损害密封膜相对于压力和/或介质的密封性。因此，密封膜例如可以变形地构成，即不是平地构成，例如根据上述形式中一个或多个。通过密封膜的变形能够由此例如的得到简化的“波纹管”形式，其能够实现换能器芯相对于壳体的相对运动，而密封膜和/或其粘接不会受到载荷。由此，超声波换能器尽管软的、即可运动的脱耦仍能够在很大程度上承受介质、温度和/或压力。可承载性和优化的耦合输入之间的目标冲突可以通过该方式解决。尤其通过上述的LSR工艺，但是也通过其他制造方法、尤其是用于制造脱耦元件的其他制造方法能够实现密封地贴靠在变形的密封膜上的脱耦元件。在使用作为整体安设到中间空间中的脱耦模型件时，如由现有技术例如已知的那样，可能在脱耦元件和密封膜之间形成填充空气的过渡部，该过渡是可压缩的并且由此在压力加载时膜受载荷。在这种情况下，例如上述的压力要求仅很难满足。按照本发明，该缺点得以避免，其方式是尤其脱耦元件密封地贴靠在密封膜上或者甚至与该密封膜连接，例如形状锁合地连接。同样，以该方式能够避免密封膜和脱耦装置之间的填充空气的空腔或没有粘结剂的区域被填充介质或通过交变载荷被加载、例如完全地泵送这样的介质。通过脱耦元件的成型工艺、例如通过 LRS工艺已经可以产生变形部本身，因为该工艺带来高温度和压力。这例如在传统的浇注工艺中不容易实现。浇注工艺此外导致显著更长的固化时间，这在大批量生产中是不经济的。变换地或附加地，变形部可以如上已经所述的那样也完全或部分地在另一个时间点产生，例如在脱耦元件的冷却和/或凝固和/或交联时。超声波换能器可以以各种方式设计。有利地，超声波换能器可以对于IOOkHz至 600kHz和尤其200kHz至400kHz的频率范围设计，后者尤其是用于车辆中的流量测量。超声波换能器可以对于作为环境介质的空气或气体和/或其它类型的流体介质设计。脱耦元件可以如上所述密封地贴靠和/或甚至粘附、例如通过形状锁合的连接粘附在密封膜的背面。形状锁合的连接可以例如已经在安设脱耦元件、例如用于LSR工艺的原材料时就产生， 而为此无需单独的方法步骤。脱耦元件可以用作换能器芯、即例如压电换能器和至少一个阻抗匹配层的固定装置的部件并且可以被构造用于接收和传输作用在膜上的压力。相应地，密封膜优选本身不是隔膜悬挂装置，如在扬声器中那样，而是仅仅用于密封壳体内部空间。待补偿的相对运动在此不是超声波换能器或者说换能器芯本身辐射或接收的声学振动，因为振动运动仅具有数量级为约I μ m的幅值，而通过压力波动引起的运动或所使用的阻尼和脱耦材料的热膨胀具有明显更大幅值、例如100 μ m数量级。建议的超声波换能器允许在技术上比较简单地实现，例如在使用按照本发明的方法的条件下实现。在此，膨胀变形部已经在之前在密封膜中构成或者可以在制造工艺期间才构成。因此，膜的变形可以例如在安设脱耦元件、例如脱耦元件的脱耦材料之前和/或通过安设脱耦元件或者说其材料实现。后者可以例如如上所述通过LSR工艺实现，该工艺同时可以用于将密封膜直接压到模具轮廓上并由此变形。相反的工艺也是可想到的，其中模具轮廓支持收缩，如上所述。因此，一般可以将脱耦元件、例如脱耦元件的材料的安设与密封膜的成型结合，例如在外部模具的帮助下，壳体、换能器芯和密封膜被放入该模具中并且该模具具有用于构成膨胀变形部的相应轮廓。各种设计方案是可行的。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐述。图I示出按照本发明的超声波换能器的实施例的剖视图；图2和3示出按照图I的实施例的膨胀变形部的各种变形状态；图4至12示出按照本发明的制造方法的方法步骤；和图13至18示出按照本发明的膨胀变形部的几何设计方案的不同实施例。
具体实施例方式在图I中从侧面以剖视图示出按本发明的超声波换能器110的实施例。在该实施例中，该超声波换能器包括一个例如压电陶瓷形式的声电换能器兀件112以及一个在福射侧设置在声电换能器元件112上的匹配体114。该匹配体114用于改善声电换能器元件 112和流体介质之间的声学耦合，流体介质在图I中象征性地用附图标记116表示。相应地，匹配体114可以例如至少部分地执行阻抗匹配。匹配体例如可以设计成匹配层并且起耦合输入元件的作用并且匹配体也可以设计成多层的，对于匹配体114的设计方案可以参考 DE 10 2007 010 500 Al 以及 DE 10 2008 055 116. 3 和 DE 102008 055 126.0，这些文献在上面已经提到过。匹配体114和声电换能器元件112共同地构成一个换能器芯118。在示出的实施例中，超声波换能器110还包括一个例如套形式的壳体120。该壳体 120可以例如完全地或部分地由金属材料或塑料材料制成。壳体120在其面向流体介质的侧上具有一个壳体开口 122，其中，壳体120的边缘124环形地包围该壳体开口 122，例如以圆环和/或多边形环的形式。在壳体120和换能器芯118之间构成一个中间空间126。在示出的实施例中，该中间空间126部分地用脱耦元件128填充。该脱耦元件128用于至少阻尼壳体120和换能器芯118之间或者在换能器芯118和壳体120之间的固体声传递。壳体开口 122相对于流体介质116通过密封膜130封闭。在示出的实施例中，密封膜130在此整面地支承在换能器芯118的在这里例如平地设计的辐射面132上并且与该辐射面例如松动地或者通过材料锁合的连接、例如粘接来连接。另外，密封膜130与边缘124 连接并且例如同样粘接在该边缘上。通过辐射面132实现换能器芯118和流体介质116之间的耦合，例如用于声辐射和/或声接收。在中间空间126的区域中，密封膜130具有膨胀变形部134。该膨胀变形部134可以例如环形地围绕换能器芯118延伸并且可以构成变形区域，该膨胀变形部的可能设计方案在下面还要详细地阐述。膨胀变形部134能够允许换能器芯和壳体之间的相对运动。在此，在示出的实施例中，如在下面还要详细地阐述那样，脱耦元件128被这样地设计，使得脱耦元件在膨胀变形部134的区域中直接支承在辐射面132上并且与其优选连接，例如通过材料锁合连接、例如粘接。但是这样的连接也可以直接在安设脱耦元件128时制造，例如按照在下面描述的LSR方法。脱耦元件128在图I中示出的实施例中仅仅环形地构成，使得在换能器芯118上方保留一个自由空间。在示出的实施例中，该自由空间用另外的阻尼材料136、例如阻尼填料填充。视材料组成和细节设计而定，阻尼材料136也可以与脱耦元件128相同并且与脱耦元件128在时间上错开地或同时地在同样的工艺步骤中安置。在示出的例子中，超声波换能器110还具有接触管脚138，这些接触管脚通过一个盖140保持并且能够通过电引线142与声电换能器元件112连接。变换地或附加地，然而在该实施例中和在其它实施例中也可想到声电换能器元件112的另一种电连接，例如通过夹紧、接触弓、钎焊或熔焊的键合线或类似的接触元件。盖140在此例如支承在壳体120中的台阶144上。如在下面还要详细地阐述那样，盖140可以例如通过壳体120的卷边146固定。声电换能器兀件112将电信号转换为声学振动(发送运行)或者将声学振动转换为电信号(接收运行)。声电换能器元件112与匹配体114连接，该匹配体起耦合输入元件的作用，该耦合输入元件基本上可以包括至少一种用于在流体介质116、例如空气和声电换能器元件112之间的声学阻抗匹配的材料。起耦合输入元件作用的匹配体114或该元件的部分区域同时可以通过专门的材料特性用于减少匹配体114和声电换能器元件112、例如压电元件之间的热感应的夹紧。这样形成的换能器芯118通过脱耦元件128固定在壳体 120中，该壳体例如可以设计为套并且可以具有例如拉深钢作为材料。变换地，也可以使用其它金属或塑料。换能器芯118在背面通过阻尼材料136阻尼，该阻力材料如上所述也可以与脱耦元件128完全地或部分地相同。超声波换能器110在背面通过盖140封闭，盖例如可以设计为盖环。盖140也可以同时例如通过夹紧或注射成型来固定接触管脚138、例如两个接触管脚。盖140可以例如借助夹紧、旋紧、卡口锁合、粘接或如图I所示的卷边146与壳体120连接。一般而言，任意的力锁合、形状锁合和/或材料锁合的连接方法都是可行的。在壳体120的内部，即在壳体内部空间148中，电引线142促成与声电换能器元件112的接触。超声波换能器110的正面区域通过密封膜130覆盖，该密封膜与匹配体114和壳体120优选粘接。作为密封膜130的膜材料可以例如使用聚酰亚胺、尤其是Kapton、PEEK、 特氟龙或上述聚合物材料中的另一种或其它聚合物材料或所述的和/或其它的聚合物材料的组合。变换地或附加地，在理论上也可想到薄的金属膜。膜厚度应当尤其是在数量级上优选最大为约50 μ m，或者明显小于25 μ m。在此,在尽可能好的沿辐射面132的法向的声学辐射、尽可能少的沿着密封膜130的固体声传播和尽可能少的介质渗透之间实现折中。在图I中示出的实施例中，密封膜130例如可以具有一个基本上平的主区域150， 尤其是在辐射面132的区域中。通过该主区域150辐射或接收超声波。该主区域150可以假想地以数学平面的形式向外延长。在平的主区域150的外部存在一个区域，在该区域中密封膜130这样地变形，使得密封膜130的这些部分明显远离数学平面。这是膨胀变形部 134的一个实施例。例如数量级为100 μ m或更大的到主区域150的平面的距离可以看作这样的明显的变形部的尺度。优选地，即通常在该实施例中或在其它实施例中膨胀变形部 134具有至少100 μ m的数量级。在图18中以示意图示出密封膜130的膨胀变形部134的区域的不同变化曲线。 这再次表明，如何理解明显变形并且可以如何设计明显变形。例如可以这样地设计膨胀变形部134，使得它从尺寸上看含有至少一个在由于温度和/或压力变化引起的期待的运动的数量级上的变形部。在图18中在膜的一个区域中，该区域的在那里以A表示的表面通过变形过程相对于平的膜增大，使得当换能器芯118(在图18中未示出)例如通过换能器芯 118内部的材料的热膨胀和/或压力载荷完成相应的轴向运动时，该表面可以基本上保持相同，即不具有膨胀或仅具有很小的膨胀。该轴向运动在图18中以B表示。换能器芯118的辐射面132在图I的实施例中举例地平地示出。其它设计方案也基本上是可以的。例如可行的是，匹配体114、例如阻抗匹配层或者说耦合输入元件的表面本身设计成不平的。例如其可以设有一个或多个倒角或者说以钝锥形式设计。由此能够例如在带宽、辐射特性或其它标准上积极地影响到空气腔中的耦合输入特性。在这种情况中， 密封膜130不具有平的主区域。但是附加的变形区域可以作为膨胀变形部134安置在脱耦的区域中，以便在换能器芯118相对于壳体120运动时使密封膜130卸载。在图2和3中以部分视图示出按照图I的实施例的在不同的载荷状态中的膨胀变形部134。如果密封膜130在一个确定的温度时的变形例如如在图2中所示地表现出来，那么在一个确定的更高的反压或一个确定的更低的温度时建立类似于在图3中示出的视图的几何形状。在(这在下面还要详细地说明)壳体120被填充阻尼或脱耦材料期间或在该材料在温度作用下固化时，也可能出现按照图2的情形。在图4至12中示出用于制造超声波换能器110的制造方法的实施例的方法步骤。 举例地，在此制造按照在图I中示出的实施例的超声波换能器110。相应地，关于各个元件可以参考图I的上述说明。另一种超声波换能器110的制造原则上也能够借助所建议的方法实现。图4示出一个组件作为一个工艺顺序内的可能的起始点,该组件包括壳体120、密封膜130和匹配体114，该匹配体起耦合输入元件的作用。该组件如在图2中所示被放入模具152中。举例地，在此如下地假定模具152是一个用于LSR工艺的模具。但是基本上也可使用其它类型的成型工艺，例如浇注工艺和/或注射成型工艺和/或压制工艺，其中实现至少一种原材料的成型，以便制造脱耦元件128。模具152在图4中仅仅象征性地示出。 该模具152此外可以包括另外的元件。在示出的实施例中，模具152包括第一模型件154， 在该第一模型件中在待制造的膨胀变形部134的区域中设有一个阴型廓156，该阴型廓可以限定稍后的膨胀变形部134的形状。例如，该阴型廓156能够在给定的区域中具有一个凹部，例如呈沟道、例如具有倒圆横截面、例如抛物线或圆形横截面的沟道形式。其它形状也是可行的。此外，模具152可以包括在图中未示出的另外的模型件。另外在图5中示出的方法步骤中，冲模158驶入壳体120的壳体内部空间148中， 其中，可选地该壳体120能够同时被压到第一模型件154上。冲模158可以例如向下移动， 使得通过相对于匹配体114(如在图6中所示)以及在圆周上相对于壳体120的台阶144 和/或壳体120的另一种突出部的压紧被密封，而同时壳体120连同密封膜130 —起被压在第一模型件154上。冲模158由此可以是模具152的组成部分并且作为模具152的另外的模型件158起作用。但是其它设计方案基本上也是可以的。然后通过通道160将可变形的材料162注射到匹配体114或者说冲模158与壳体120之间的中间空间126中。在此例如是实心材料，例如由该实心材料通过化学反应和/或物理相变形成脱耦元件128。例如可变形的材料可以是液态娃树脂(LSR,Liquid Silicone Rubber)。可变形的材料在模具152 中被加热，由此形成高的压力。例如在200°C可以形成100至200巴的压力。该压力同时在阴型廓156的区域中将密封膜130压入到第一模型件154的轮廓中。自此，密封膜130变形，并且形成膨胀变形部134。可变形的材料也可以设有添加物，例如设有填料或空穴。以该方式例如能够实现优化的固体声脱耦和/或优化的固体声阻尼。以该方式能够调节脱耦元件128的特性。在此，硅树脂泡沫塑料或气体和/或塑料球和/或空心球的混合物是特别适合的。尤其是后者，即塑料球或塑料空心球容易热变形并且导致特别有利的脱耦特性。这些球的一种特别简单的混合方式和方法是在与硬度成分混合之前混入到硅树脂的树脂组分中。其它的、但是通常更难掌握的用于硅树脂的发泡的可能性是物理方法或化学方法。在后者时，发泡甚至可以在中间空间126内部的目标位置上进行。在图7中示出的注射过程之后，冲模158在一个在图8中示出的方法步骤中又离开壳体内部空间148。接着在一个在图9和10中示出的方法步骤中插入声电换能器元件 112。这可以例如作为组件发生，如在图9中所示。该组件可以例如除了声电换能器元件 112外包括接触管脚138和电引线142以及盖140。声电换能器元件112、例如压电换能器元件可以尤其是借助抽吸抓取器164插入。声电换能器元件112可以例如与匹配体114材料锁合地连接，例如通过粘接方法。在将声电换能器元件插入壳体内部空间148中之后，另一种装配、例如声电换能器元件112的电接触原则上也是可行的。但是具有已经电接触的声电换能器元件112的所示装配方式是优选的。在装入和固定声电换能器元件112之后， 可以固定盖140，如在图11中所示，例如借助上面已经描述过的卷边146或另一种固定装置。接着可以用阻尼材料136填充保留的壳体内部空间148，如在图12中示出。对于该或另一个时间点，完成的超声波换能器110可以从第一模型件154取出。如上所示，例如阴型廓156能够以其轮廓预给定膨胀变形部134的形状。变形轮廓的一些可想到的变型例如在图13至17中示出。举例地，在此分别连带示出模具152的第一模型件154。在该实施方式中，图13示出一个例子，其中膨胀变形部134具有一个伸入到流体介质116中的膨胀褶皱，与在图I中示出的实施例相似或类似。相反，在图14中示出一个实施例，其中一个膨胀褶皱伸入到中间空间126中。在图13和14中的实施例中，辐射面132与壳体120的边缘124设置在一个平面中，在图15至17中的实施例示出辐射面132相对于边缘124错开。由此形成阶梯形的变形，其中，密封膜130在阶梯形的变形区域中从辐射面132的平面过渡到边缘124的平面中。在图15中示出的实施例中，辐射面132的平面相对于边缘124错开到壳体内部空间 148中。附加地，如在图15中同样示出，在中间空间126的区域中可以设置膨胀褶皱，该膨胀褶皱在该情况中同样伸入到壳体内部空间148中。相反，图16示出一个实施例，其中辐射面132的平面相对于边缘124向着流体介质116错开。附加地，如在图16中所示，在中间空间126的区域中可以设置一个膨胀褶皱， 该膨胀褶皱在该实施例中举例地伸入到流体介质116中。图17最后示出一个实施例，其中仅发生一个例如类似于图16的错位，其中，但是除了阶梯形的变形外不设置另外的膨胀褶皱。阶梯形的错位在该情况中完全形成膨胀变形部134。阶梯形的变形例如可以如上所述包括数量级为至少100 μ m、优选更多的平面错位。尤其地，在根据图17的实施例中，轮廓在此通常在冷却期间这么强烈地改变，使得在室温时大约形成与在按照图3或图13的实施例中的几何形状相同的几何形状，其能够实现换能器芯118在两个方向上的轴向运动，而密封膜130无需显著膨胀。上述的实施例、尤其是在图4至12中的按本发明方法的实施例能够以各种方式改变，而由此不脱离本发明的基本构思。因此，例如密封膜130的变形也可以在另一个时间点或以另外的方式产生，其中，形成膨胀变形部134。例如，在膜130与壳体120粘接之前实现变形。另外，为了制造膨胀变形部134可以例如使用真空-拉深方法和/或压煮器工艺。拉深也可以在没有真空或空气压力的情况下进行，例如通过张紧框架和/或模具，例如以热压方法的形式实现。另外，变换地或附加地，变形也可以在粘接期间或之后进行。变形也可以在例如通过LSR工艺的粘接之后进行。变形也可以在LSR工艺或者说填充工艺之前和期间实现。在这些情况中例如有利的是，密封膜130在被放入模具152中之前预膨胀，其中最终的造型可以例如通过在填充工艺期间、例如在LSE工艺期间的二次变形实现。另外， 密封膜130通常也可以用作定位辅助装置。这例如能够以特别简单的方式实现，如果如在图4中所示使用具有定心结构的预组件的话，该预组件包括壳体120、密封膜130和匹配体 114。由此可以保证，至少该预组件的构件在复杂的填充工艺、例如LSR工艺内不必再相对彼此定位。
1权利要求
1.用于在流体介质(116)中使用的超声波换能器(110)，其包括至少一个换能器芯 (118)，所述换能器芯具有至少一个声电换能器元件(112)、尤其是压电换能器元件(112)， 所述超声波换能器还包括至少一个壳体(120)，其中，至少一个壳体开口(122)相对于流体介质(116)通过一个与所述换能器芯(118)连接的密封膜(130)至少部分地密封，其中，所述密封膜(130)具有至少一个膨胀变形部(134)，所述膨胀变形部(134)被配置成能够实现所述换能器芯(118)和所述壳体(120)之间的相对运动。
2.根据权利要求I的超声波换能器(110)，其中，所述膨胀变形部(134)具有以下变形部中的至少一个伸入到流体介质(116)中的膨胀褶皱；伸入到所述壳体(120)的壳体内部空间中的膨胀褶皱；波纹管；阶梯形的变形部，其中，在所述阶梯形的变形部时所述密封膜(130)的一个第一平面转变为所述密封膜(130)的一个第二平面。
3.根据权利要求I或2的超声波换能器(110)，其中，在所述壳体(120)和所述换能器芯(118)之间构成至少一个中间空间(126)，其中，所述膨胀变形部(134)至少部分地在所述中间空间(126)的区域中构成。
4.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述密封膜(130)与所述壳体(120)、尤其是所述壳体(120)的边缘(124)在所述壳体开口(122)的区域中材料锁合地连接并且与所述换能器芯(118)、尤其是所述换能器芯(118)的辐射面(132)材料锁合地连接。
5.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，在所述壳体(120)和所述换能器芯(118)之间设有至少一个中间空间(126)，尤其是环形的中间空间(126)，其中， 所述中间空间(126)至少部分地通过至少一个脱耦元件(128)填充，其中，所述脱耦元件 (128)被配置成阻尼所述壳体(120)和所述换能器芯(118)之间的固体声传递。
6.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述脱耦元件(128)与所述密封膜(130)连接，尤其是在所述膨胀变形部(134)的区域中与所述密封膜(130)连接。
7.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述密封膜(130)包括塑料材料、尤其是以下材料中的一种或多种聚酰亚胺，尤其是Kapton ;聚醚醚酮；碳氟化合物，尤其是聚四氟乙烯，尤其是特氟龙，和/或全氟乙丙烯共聚物；聚萘二甲酸乙二醇酯；液晶聚合物；聚苯硫醚。
8.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述密封膜(130)具有不超过50 μ m、优选不超过25 μ m的厚度。
9.用于制造用于在流体介质(116)中使用的超声波换能器(110)、尤其是根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(Iio)的方法，其中，具有至少一个声电换能器元件(112) 的至少一个换能器芯(118)被安放到至少一个壳体(120)中，其中，至少一个壳体开口 (122)相对于流体介质(116)通过一个与所述换能器芯(118)连接的密封膜(130)至少部分地密封，所述密封膜(130)被这样地构成，使得所述密封膜具有至少一个膨胀变形部 (134)，所述膨胀变形部(134)被配置成能够实现所述换能器芯(118)和所述壳体(120)之间的相对运动。
10.根据权利要求9的方法，其中，在所述换能器芯(118)和所述壳体(120)之间设有至少一个中间空间(126)，其中，所述中间空间(126)至少部分地通过至少一个脱耦元件(128)填充，其中，所述脱耦元件(128)被配置成阻尼所述壳体(120)和所述换能器芯(118)之间的固体声传递，所述膨胀变形部(134)至少部分地在将所述脱耦元件(128)安放到所述中间空间(126)中时被构成。
11.根据权利要求10的方法，其中，为了安放所述脱耦元件(128)，将至少一个可变形的材料(162)、优选至少一个能流动的材料浇注和/或压入和/或注射到所述中间空间 (126)中。
全文摘要
本发明涉及一种用于在流体介质(116)中使用的超声波换能器(110)。该超声波换能器包括至少一个换能器芯(118)，所述换能器芯具有至少一个声电换能器元件(112)、尤其是压电换能器元件(112)。所述超声波换能器(110)还包括至少一个壳体(120)，其中，至少一个壳体开口(122)相对于流体介质(116)通过一个与所述换能器芯(118)连接的密封膜(130)至少部分地密封。所述密封膜(130)具有至少一个膨胀变形部(134)，所述膨胀变形部被配置成能够实现所述换能器芯(118)和所述壳体(120)之间的相对运动。
文档编号G01F1/66GK102597714SQ201080048788
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月9日 优先权日2009年10月29日
发明者B·金茨, G·许夫特尔, M·赫斯特布林克, R·万贾, R·米勒, S·拉德万, T·朗 申请人:罗伯特·博世有限公司