超声波换能器装置和超声波流量计的制作方法

本申请是名称为“超声波换能器装置和超声波流量计”、国际申请日为2011年5月11日、国际申请号为pct/ep2011/002333、国家申请号为201180023473.8的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种用于超声波流量计的超声波换能器装置。本发明还涉及一种带有相应的超声波换能器装置的超声波流量计。

背景技术：

超声波流量计的密封和触点接通是一种技术要求很高且花费巨大的过程。必须用由最好的密封材料构成的由细丝细工编织的密封元件来密封壳体开口。由于增加使用了塑料材料(在此情况下通常不可能排除制造公差)，基于密封元件的小尺寸之故在某些工作条件下可能容易导致泄漏。即便选择高质量的密封材料和耗时的手工处理，仍然不可能排除泄漏。

近些年，人们趋向于将超声波换能器定位在壳体中的做法，从而使得由超声波换能器产生的超声波脉冲穿过很薄的、通常由塑料构成的壳体壁进入介质中。

现有技术状况：

由ep2236993a1以及ep2236995a1分别已知一种超声波流量计，其包括一件式的壳体和与之分开的、包括两超声波换能器体及印刷电路板的装配单元。两超声波换能器体处于印刷电路板中的相应切口内并且通过上侧和下侧的止动夹紧装置得以固定。包括超光波换能器体和印刷电路板的装配单元被安装到一个平面的壳体区域上，而使超声波换能器在该平面的壳体区域内用超声波透射壳体。

由ep0708313已知一种相应的超声波流量测量仪，其中，在通常由铸件构成的壳体中将相同的超声波换能器借助所属的锁紧螺母及o型圈装入为各个超声波换能器分别配置的开口中。将一温度传感器同样装入一相应的壳体开口中。这样的结构设计要以大量零件数为基础。此外它还需要对壳体进行复杂的加工处理。

由ep2037231a1已知一种用于超声波流量计的壳体，其中，为实现超声波换能器的定位而使用一个单件的、整体的壳体连同在外侧所设置的一些平的接触点。将各超声波换能器以一定的间距沿着壳体固定于其外侧并且在操作中用超声波透射壳体壁。

由de102005001895b4已知一种用于流量测定的装置，其中，围绕着一个垂直于流动方向定位的流动隔壁来引导流体流。在流动隔壁的端面上，有一超声波换能器装置处于一壳体凹槽中。超声波换能器装置只包括一个压电振荡器(它具有唯一一个接地电极)和两个平面的、并排设置的且彼此分开的信号电极，其中，为每一信号电极配置一个用于超声波信号的发射表面或接收表面。

由ep0890826b1已知一种具有塑料制成的测量嵌件的超声波流量计。测量嵌件处于流量计的壳体的一个凹槽中并且对其在进口侧经由唯一一个密封件加以密封。测量嵌件还具有一盖，相对测量嵌件经由一个环绕的密封件对该盖进行密封。在盖中具有两个通口，通口中同样在插入密封件的情况下各自装入一个包括超声波换能器体和所属壳体的超声波换能器。

技术实现要素：

目的：

本发明的目的在于，提供一种同种类型的新式超声波换能器装置，它能够降低生产成本。

发明的方案主题：

由于将超声波换能器体的第一接触装置嵌置于壳体中、一壳体部件中或一壳体嵌件中或者固定在那里，因此就有可能采用简单构造的超声波换能器体，特别是，超声波换能器体不必再具有周围触点接通措施。同样也不再需要制造各单独的超声波换能器，作为准备完成待投入使用的构件。由于用超声波透射壁而取消了复杂的密封措施。将部件数量和制造步骤减到了最小值。由于因电极在超声波换能器体上随着时间流逝变得胶接或焊接缺损而造成的损坏的失效危险也减少了。操作可靠性得以提高。

如果设置一松动的电极作为超声波换能器体的第一接触装置，则可以将其以简单方式嵌置于一个在壳体或壳体部件上或者在壳体嵌件上为此设置的凹槽中并且在那里在超声波换能器体与待用超声波透射的壳体壁之间得以位置固定。

或者另选地，作为第一接触装置，可以设置一种事先已涂覆到壳体或壳体部件或壳体嵌件上的接触层。对此可以适宜地涉及一种例如由气相沉积的导电层，比如一种通过金属蒸镀涂覆的、与壳体或壳体部件或壳体嵌件固定(预)连结的接触层。或者另选地，可以通过电镀、通过热金属喷溅或通过熔化浸镀来实现一种导电层。也可以使用一种由导电材料构成的粉末涂层。因此可以将超声波换能器体以简单方式加设到带有接触装置的壳体上或嵌置于其中。

作为另一可选设计形式，也可以将第一接触装置设置为整合于壳体或壳体部件或壳体嵌件中的导体层或导体结构。为此可以使用2组分注射成型、所谓的mid法、热压印法、掩模曝光法、激光成型构造或薄后注射。由此也可以将超声波换能器体以简单方式加设到带有接触装置的壳体或壳体部件上或嵌置于其中。

可以在沿轴向方向的预紧作用下来实现超声波换能器体在嵌置的电极上或在带有接触装置的壳体壁上的固定。适宜经由一弹簧实现这种固定，其同时确保了超声波换能器体一侧的电接触。

经由一种连接片(例如经由在电极上一体成形的和向上凸出的连接片)或经由一种自定心的接头装置(例如弹簧，特别是所谓螺旋弹簧的形式)来实现第一接触装置的接线。后者(弹簧，特别是螺旋弹簧)沿超声波换能器体的外周延伸。

按照本发明的另一方面，将超声波换能器体装入一个特别是杯形的、可用超声波透射的、优选由塑料构成的壳体嵌件中。将该壳体嵌件装入到一个相应的壳体开口中，由此在相应换能器体的区域内可以产生一种多件式的壳体，其包括盲孔状的凹槽。可用超声波透射的优选由塑料构成的壳体嵌件也提供了独立于电极构造设计的生产优点。例如，即使电极永久固定在超声波换能器上或经由从下侧向上引导的喷镀金属实现触点接通(周围触点接通措施)，则也是如此。

为了实现壳体嵌件的上侧封闭，可以设置一封闭件或一盖。在这种情况下，可以在封闭件的上侧引出各接线头。由此可以以简单方式操纵按照本发明的换能器装置，仅仅还要制造在印刷电路板上应该进行触点接通的构件(独立的装配单元)即可。其余的壳体因此可以具有一种较为简单的形式/形状，由此又可以显著降低壳体的制造成本。

另外，围绕超声波换能器体的空间可以至少部分地用浇注材料填充。借此可避免氧化现象。

壳体嵌件按照需要可以或是只具有一个超声波换能器体或是具有多个超声波换能器体(特别是一对超声波换能器体)。

按照本发明的另一方面，在这样一种包括第一和第二超声波换能器体的装置中，设置所涉及的超声波换能器体的相应第一主表面的一个对于第一和第二超声波换能器体共同的、在壳体侧固定的电接触机构(例如接地电位)。由此可以显著简化结构设计。

本发明还涉及一种超声波流量计，其包括按照本发明的超声波换能器装置。

附图说明

发明的实施例：

以下借助附图更详细地说明本发明的一些适宜的设计形式。在此，为清晰起见，各重复的特征只一次配有附图标记。特别强调的是，下文所描述的那些设计形式的单个特征组合或部分特征组合也应视作本发明创造的重要部分。图中示出：

图1超声波表计的壳体的剖视图，壁用超声波透射，

图2按照本发明的第一设计形式的超声波换能器装置在组装过程中(图2a)和组装以后(图2b)分别不带封闭件以及其透视的分解图(图2c)，

图3按照本发明的第二设计形式的超声波换能器装置的剖视图(图3a)不带封闭件以及透视的分解图(图3b)，

图4按照本发明的第三设计形式的超声波换能器装置在一个超声波换能器体的一个区域的剖视图(图4a)和两个超声波换能器体共同实现触点接通的情况(图4b)，

图5超声波流量计的按照本发明的超声波换能器装置装入特别设计形式的壳体装置中的透视的剖视图，

图6图5的区域a的放大剖视图，

图7按照图5或图6的设计形式的壳体嵌件的各零件的分解图示的透视的剖视图，

图8按照图5至7的设计形式的壳体装置的端面视图，

图9按照本发明的壳体装置的第二设计形式的透视的剖视图，包括按照本发明的超声波换能器装置，

图10图9的区域a的放大剖视图，

图11按照图9或图10的设计形式的壳体嵌件的各零件的分解图示的透视的剖视图，

图12按照本发明的另一设计形式的壳体嵌件的各零件的分解图，

图13按照本发明为杯形壳体嵌件形式的超声波换能器装置的其他设计形式，例如超声波换能器体通过弹簧实现的上侧的触点接通(图13a)或通过在上侧嵌置的电极与接线片实现的上侧的触点接通(图13b)，以及

图14表示超声波流量计的壳体的剖视图(图14a)和透视图(图14b)。

具体实施方式

图1示出超声波流量计1的壳体2，它包括两个大致在中心连接的部件。在相应壳体部件的上侧具有一袋形的凹槽45，用以装入各一个(未示出的)超声波换能器。壳体2的袋形凹槽45的底面构造成薄壁结构，以使得超声波能够透射到流过超声波流量计的介质中。在壳体2内具有两个转向镜30，它们由各转向镜支架31支承并且将超声波信号(超声波脉冲)转向u形的测量路段。此外可以将一温度传感器15装入一壳体凹槽中。壳体2的两部件适宜由塑料特别是热塑性塑料料构成，它可由所谓的注塑成型法加工。

图2示出按照本发明的超声波换能器装置的第一设计形式，其处于一个用点线表示的壳体2内或壳体中的壳体部件或嵌件5内。按图2a，超声波换能器体4亦即由压电陶瓷构成的盘片不仅在其上侧而且在下侧上设有一固定加设的喷镀金属(层)40、41(例如ag)。壳体2或壳体部件或嵌件5在该设计形式中具有一袋形的凹槽45，其包括支承面6和倾斜向外延伸的表面23。为实现超声波换能器体4的电气触点接通而设有一松动的电极27，它嵌置于倾斜向内逐渐缩小的凹槽45中并且平面安置在支承面6上。为了实现触点接通(电位p1)，电极27具有一侧面设置的接线片28。后者与电极27构成一体。利用一个形式为螺旋弹簧的弹簧9来实现超声波换能器体4的对置的表面的相对接触(电位p2)。如果需要的话，如图2中所示，可以在电极27的两侧附加设置声耦合物质43，例如为声耦合凝胶等的形式。凹槽45的向内延伸的缩小部有助于在嵌置电极27时实现其定心。

弹簧9不只用于超声波换能器体4的上侧的电气触点接通而且也用于其在袋形的凹槽45内的位置固定。

如由图2c清楚可见，为了封闭壳体2或壳体部件或嵌件5，在装置的上侧设置有一盖或封闭件37。它包括一内侧的(未示出的)凹槽(也参见图13)用于弹簧9在盖内侧上的定心。经由中心孔38可以向外引导弹簧9的直线式的接线件并且优选直接与印刷电路板(未示出)触点接通。此外，沿圆周例如设置有总共四个径向切口39，它们能够使电极27的接线片28通过封闭件37向外导向印刷电路板。

在壳体2或壳体部件或嵌件5的内部具有一凹槽26，它允许有一定侧向错位地从支承面6的区域向上引导接线片28。

图3a大大简化示出了按照本发明的超声波换能器装置的另一设计形式。代替松动嵌置的印刷电路板，在该设计形式中设置了一种在壳体2或壳体部件或嵌件5上例如通过对袋形凹槽45底面金属蒸镀而涂覆的接触层42。该接触层42沿着倾斜延伸的表面23并且经过其一部分向上延伸。借助于一个外面的弹簧8例如螺旋弹簧来实现接触层42的电气触点接通(电位p1)，该弹簧8在外侧包围超声波换能器体4。借助于该弹簧9按以上所述的设计形式实现触点接通(电位p2)。在接触层42的上侧可以适宜地具有声耦合物质43。

如由图3b清楚可见，弹簧8安置在表面23的区域内并且提供了一个足够大的内腔，它允许超声波换能器体4支承在壳体2的支承面6上。盖37符合于按图2c的盖37的设计形式。

在按图4a的设计形式中，超声波换能器体4的面向介质一侧的触点接通是通过一个在壳体2或壳体部件或嵌件5中整合的导体线路结构44来达到的。该导体线路结构44在其制造时就已固定于壳体的塑料中。对于壳体，在这种情况下因而涉及到这样一种构件，在其中，金属的导体线路已涂敷到注塑成型的塑料载体上。这一点例如以所谓的2组分注塑成型、热压印法、掩模曝光法、激光成型构造法或膜后注射法来实现。导体线路结构44的触点接通(电位p1)可以按各种不同的方式来实现，例如经由弹簧，如图3a和3b中所示。在这里，在超声波换能器体4与导体线路结构44之间也可以设置声耦合物质43。

此外，该设计形式还允许沿整个的壳体2或壳体部件或嵌件5设置一导体线路结构44。在这种情况下可，以有利地利用仅一个共同的接线电极将两超声波换能器体4、7连接于仅仅唯一一个接触机构(电位p1)。例如电接触机构p1可以是一个共同的接地接触。

在上述的图1至7中涉及按照本发明的超声波换能器装置的不同设计形式的纵剖视图，其中设置有嵌件5，它们供两个超声波换能器体4、7所用。图8涉及局部的纵剖视图。

图1中的标记5表示一超声波流量计，它固定安装于一个(未示出的)流体管道中，例如热水管道和/或冷水管道，用以检测流体的流量。超声波流量计1为此具有细长的管形壳体2，该壳体通常由金属铸件构成。经由在壳体端面上的适合的(未示出的)连接装置将其连接于流体管网。

超声波流量计1具有一个处于壳体2内部的测量嵌件3，它在图1具体示出的设计形式中具有一个环形的横截面缩小的测量区段，该测量区段沿着处在两转向镜30之间的空间延伸。各转向镜30由成流线形构造的转向镜支架31所支承，它们则又由一框架32保持，该框架同时用作流动分配器。

测量嵌件3与上述各组成部分一起在端面被共同插进超声波流量计1的壳体2中。

在壳体2的上侧(对此也参见图7)具有一细长的壳体开口16，它设定用于容纳一壳体嵌件5。壳体嵌件5用于将超声波换能器体4、7定位在超声波流量计1上，对于超声波换能器体4、7，一般是涉及压电陶瓷盘，它将电能转变为声能，以及反之。

壳体嵌件还包括一温度传感器15，它通过一个在壳体嵌件5底面区域内的孔34在超声波流量计1的壳体2内部延伸并且借助于一密封元件35对壳体嵌件5那边密封。

为了实现壳体嵌件5相对壳体2的密封，参见图7，设置唯一一个密封元件13，它是在一台阶17中环绕的较大尺寸的o型圈的形式。

相应的超声波换能器体4、7亦即相应的压电陶瓷盘处于一个在杯形壳体嵌件5内壁上的支承面6的上侧上。该支承面优选适配于超声波换能器体4、7的直径。经由一个居中设置的、在固定件24中导向的第一弹簧9实现(在附图中未示出的)盖侧的接触电极的触点接通，该弹簧适宜用于电信号的引出抽头或者用于进行电控制。经由一个第二螺旋弹簧8实现同样在图中未示出的第二接触电极的触点接通，螺旋弹簧8建立起接地接触。代替第二接触电极，也可以设置壳体嵌件的内壁的一金属涂层。为了简化装配，在支承面6的上方设置有一倾斜面23，它通过定心便于使相应的超声波换能器体4、7在支承面6上装入和定位。

在壳体嵌件5的上侧具有一个形式上为印刷电路板10的盖，其包括未示出的接触线路，该印刷电路板允许实现弹簧8及弹簧9的直接触点接通。

如由图10清楚可见，用浇注材料11填充壳体嵌件5的余留的内腔，从而超声波换能器体4、7和弹簧8、9与浇注材料11相接触并且避免形成冷凝水。

代替印刷电路板10，也可以设置一个形式上为塑料注塑成型件的盖用于壳体嵌件5的上侧封闭。

壳体嵌件5借助于(未示出的)螺钉以及必要时的(同样未示出的)固定保持件与壳体抗压地和水密地螺接在一起。

在底部区域突出的销14是用来：经由在测量嵌件3上的一个相应的(图中示出的)凹槽将测量嵌件3在组装的状态下固定就位。

如由图8清楚可见，壳体嵌件5的下侧设有一个向内弯曲的表面18，它在壳体嵌件5组装好的状态下与测量嵌件3的外表面接触。

在图1至11所示的实施方案中，壳体嵌件5的下侧并不适配于测量嵌件3的轮廓。壳体2具有一壳体内壁19，它具有一种适配于测量嵌件3外轮廓的内轮廓。在这种情况下，壳体嵌件5的下侧可以构造成平的。在铣出壳体开口时要留出壳体内壁19，而且是以这样的方式，即：保持最小的壁厚，例如在中心线上约为0.8mm至1.2mm。

测量嵌件3经由相应的拱顶21(它们嵌接于壳体内壁19的各通口20中)与超声波流量计1的内部处于接触。所述拱顶21优选成形为，使它们尽可能塞满各开口20，以便阻止气泡的附着。在该设计形式中，可以按照模块型式针对各种极其不同的公称直径使用所述壳体嵌件5。

超声波换能器体的触点接通符合于按照图5至8的那些情况。

为了确保壳体嵌件有足够的压力稳定性，适宜由高强度的、优选用添加材料(例如玻璃纤维)加固的材料(例如塑料)来制造它。

此外适宜的是，采取结构上的措施来提高刚度，例如按照图9至11示例性设计形式的多个加固筋条25。这些增强措施是很重要的，因为流体的总压力都加载于壳体嵌件5的壁上。

另选地或附加地，壳体嵌件5可以具有需要的材料厚度。

在超声波换能器体4或7或支承面6的区域内，壳体嵌件5应该只具有微小的壁厚，使得能够实现足够的超声波透射。

另外，相应的壳体嵌件5为了实现超声波换能器体4、7的电气触点接通而可以在支承面6区域内设置一金属涂层。

相应的压电陶瓷盘在壳体嵌件5的壁上的声耦合适宜用一种适合的导声膏来实现，例如包括硅酮或pfpe。或者作为另选方案，也可以粘入超声波换能器体4、7或通过在壳体嵌件5的接触层上焊接来实现触点接通。由此特别产生一种刚性的、导电能力良好的连接。可以通过优选固定连接于印刷电路板10的或与后者焊接的弹簧9来实现其他的电气触点接通，弹簧9以一定的力将压电陶瓷盘压向壳体嵌件5的膜片状壁。

图12示出另一实施方案，其中，温度传感器15(例如所谓的ntc元件)穿过壳体嵌件5的壁去检测处于超声波流量计1中的流体的温度。为此，例如在壳体嵌件5的底面中设置一成型部29，温度传感器15处于其中。后者可以经由(未示出的)导热膏热作用耦联于壳体嵌件5的壁上。按这种方式取消了壳体嵌件5的孔以及向内侧那边的密封。此外，可以使用一种非封装的ntc元件，它与前者相比是显著便宜的。

在该设计形式中，并不是经由壳体嵌件5表面的金属涂层、而是借助于电极27实现超声波换能器体4或7的触点接通，电极27由薄的金属薄膜构成。电极27固定连接于(例如粘结于或焊接于)超声波换能器体4或7的下侧。在图8中，右边分开地示出了该电极，以便更好地理解其整体形状。作为电极27的材料，可以设定为例如优质钢(va)或铜(cu)，该材料按照进一步加工处理可以再镀上一薄的贵金属层(例如金或银)。在电极27上成形的接线片28优选直接焊接于印刷电路板10。接线片28包括一些折弯，其应能防止由于热膨胀而向电极27不利地传递作用力。

或者作为另选方案，代替电极与相应的超声波换能器体4、7的固定连接，基于按照本发明的结构设计，也可以以简单方式设置一种通过中间连接声耦合层例如耦合凝胶、耦合软膏等的松动式设置。在这种情况下，只通过弹簧9的压力就能保持相应的超声波换能器体4或7以及电极27就位，并确保电气触点接通。

为了避免对压电陶瓷盘外表面的不符合要求的电接触，而将接线片28离开电极27的外径有一定径向间距地加以弯曲。由于这个原因，在表面23的区域内设置有一成型部或凹槽26。这就同时保证电极27包括接线片28相对印刷电路板10中相应的焊孔36具有一种单一确定的定位。

经由弹簧9实现触点接通(信号触点接通)，该弹簧或是直接焊接于印刷电路板10或是与一个处在那里的导体线路触点接通。对于后一情况，设置一固定件24用以定位该弹簧9。

图13a以简化的原理图示出一杯形的壳体嵌件5连同只一个超声波换能器体4的处于安装位置的局部剖视图。嵌件5可以具有上述的电极型式(示出图2a至2c中所述型式的电极27或触点接通)。为清晰起见，图13中未示出超声波换能器体两侧的喷镀金属和声耦合物质。壳体嵌件5装入壳体2或壳体部件的一个通口中并且经由一个o型圈46对壳体那边密封。封闭件37装入上侧的凹槽45中。接线片28和弹簧9的接线接触通过切口39或孔38突出于封闭件37的上侧以外并且可以直接与一个未示出的印刷电路板实现触点接通。由此可以放弃电缆连接例如同轴电缆的使用。

壳体嵌件5具有薄壁的底面并且由塑料构成，从而，由超声波换能器体所产生的超声波信号可以通过该底面进入介质。

图13b的视图示出一个相应的杯形壳体嵌件5，其中，超声波换能器体4的触点接通借助于两侧的电极27a和27b实现，该超声波换能器体同样在两侧上具有(在图13b中未示出的)喷镀金属，两侧的电极分别具有一个接线片28a或28b。接线片28a、28b经过表面23中两侧的凹槽26a、26b沿壳体嵌件5向上并且穿过封闭件37中的切口39a或39b向外延伸。弹簧9在该设计形式中只用来实现机械的固定保持力，而确保不发生电气触点接通。上侧的电极27b被嵌置并且只通过弹簧9与封闭件37相连接保持位置。该装置按照图13a的结构设置被装入一壳体开口中。

该杯形壳体嵌件5可以与处于其中的各构件一起作为自身可操纵的结构单元进行预制。

图14中以剖视图(图14a)和透视图(图14b)示出了壳体2，包括两个上侧的壳体开口，壳体开口中各装入一个上述型式的壳体嵌件5。如由图14a明显可见，壳体嵌件5的终端与一个(未示出的)印刷电路板的支承平面大致齐平，从而可实施一种直接的触点接通。

附图标记清单

1流量计

2壳体

3测量嵌件

4超声波换能器体

5壳体嵌件

6支承面

7超声波换能器体

8弹簧

9弹簧

10印刷电路板

11浇注材料

12模块

13密封元件

14销

15温度传感器

16壳体开口

17台阶

18表面

19壳体内壁

20通口

21拱顶

22孔

23表面

24固定件

25加固筋条

26凹槽

27电极

28接线片

29成型部

30转向镜

31转向镜支架

32框架

33孔

34孔

35密封元件

36焊孔

37封闭件

38孔

39切口

40喷镀金属

41喷镀金属

42接触层

43声耦合物质

44导体结构

45袋形的凹槽

46o型圈