带有压电陶瓷的超声换能器和用于制造这种超声换能器的方法与流程

本发明涉及一种带有压电陶瓷的超声换能器和一种用于制造这种超声换能器的方法。

背景技术：

现在使用在多种水量计或热量计中的并且越来越多地替代传统的机械的流量计的超声换能器，通常基于有源压电陶瓷部件与透声的耦合层、例如不锈钢膜的简单的结合。

针对压电部件的电接触存在不同的技术方案。一种可能性在于使用弹簧触点，它们鉴于使用寿命当然可能意味着在触点腐蚀方面的风险。触点和接触部位在运行时承受动态的应力，这长此以往会导致过渡电阻改变。这种触点的设计和制造要求极高。持续不变的质量(接触压力)对换能器的功能而言是强制性必需的，以便确保在长使用寿命下的维护较少的运行。在许多超声换能器中，也借助金属线的钎焊实现接触。在压电陶瓷上的钎焊部位是对换能器的振动动力有影响的附加质量。手动的钎焊过程尤其承受客观的影响并且导致了高昂的生产成本。

de10158015a1公开了特别是用于使用在针对液态或气态介质的流量测量仪中的这种超声换能器。

流量测量装置由ep2267416a1公知。

de19820208a1公开了一种压电式振动器，在该压电式振动器中，压电元件通过双极的电源线完成接触。如上文中所说明的那样，用于电连接压电陶瓷的电极和电源线的钎焊部位的在此所需的构造方案对超声换能器的振动动力产生不利的影响。钎焊部位在此可以针对电源线的每个极单独构造，这导致了高昂的生产成本。

超声换能器在智能计量应用中的市场承受着极大的价格压力。

技术实现要素：

以上述现有技术为出发点，本发明的任务是，提供一种超声换能器，其有出色的介质耐抗性、改进的振动动力并且通过减少零件数量有更为简单的结构，因而能以全自动化的生产方式制造该超声换能器。

为了解决该任务，本发明公开了一种根据权利要求1所述的特别是用于测量流体量的超声换能器。按本发明的超声换能器包括壳体，在壳体中布置着接触元件和压电陶瓷，其中，压电陶瓷包括两个极性不同的电极，所述电极安装在压电陶瓷的不同的侧面上，其中，用于两个电极电接触的接触面布置在压电陶瓷的同一侧上，并且接触元件具有至少两个极性不同的接触区段，所述接触区段与相应极性的两个电极的接触面处于导电的接触。由此能使两个电极通过压电陶瓷的同一侧面电接触，因而连接耗费通过减少所需的用电缆连接的构件的数量明显降低。通过接触元件的两个接触区段可以特别有利地用交流电压加载压电陶瓷的接触面。尤其可以通过使用具有两个接触区段的接触元件提供与压电陶瓷的电极的直接对接件，这减少了压电陶瓷的电极接触时的生产工作量。

可能合理的是，接触元件的相应的接触区段与电极的相应的接触面处于平面接触。通过所述平面接触即可实现电极的可靠的接触而无需加入附加质量。

可能有利的是，第一电极的背离压电陶瓷的侧面形成了第一电极的接触面。第一电极因此可以通过其背侧电接触。

但也可能被证实有益的是，第一电极部分遮盖和/或接触压电陶瓷的第一侧面，其中，第一电极优选居中地布置在压电陶瓷的第一侧面上，优选这样布置，使得环形表面保持在压电陶瓷的第一侧面上且未被第一电极遮盖。这个实施方案有利于在向电极施加交流电压时对压电陶瓷对称地励磁。

但也可能合理的是，第二电极优选完全遮盖和/或接触压电陶瓷的第二侧面，其中，优选两个电极的至少一个接触面布置在压电陶瓷的第一侧面上并且通过偏转触点(umkontakt)与第二电极导电地连接，其中，偏转触点优选延伸经过压电陶瓷的第三侧面。偏转触点提供了将第二电极的接触面与第二电极的电有效的区域分离的出色的可能性。

也可以被证实有用的是，第二电极具有两个、三个、四个或更多的接触面，所述接触面优选一致地构造和/或对称地和/或等距地围绕第一电极布置，优选在边缘侧布置在压电陶瓷的第一侧面上。这种实施方案有利于产生压电陶瓷的特别对称的振动。

可能有益的是，压电陶瓷构造成压电陶瓷圆盘或压电陶瓷板和/或在一个平面中延伸。这种造型特别紧凑并且能利于成本地由压电材料或压电陶瓷材料制造。

也可能合理的是，所述壳体由诸如氧化铝之类的陶瓷或诸如pps的塑料优选在压铸方法或注塑方法中制造。

此外还可以被证明是实用的是，接触区段处在接触元件的同一表面上和/或同一平面中。因此实现了压电陶瓷的两个电极的接触面的特别简单的接触。

但也可能有利的是，接触元件构造成罐形，其中，接触区段布置在接触元件的底部处并且能通过接触元件的从底部突出的边缘区段电接触。接触元件的这种构造形式特别稳定并且通过接触元件的从底部突出的边缘区段提供了用于盖的支承面。通过所述盖可以一方面封闭容纳压电陶瓷的壳体，另一方面则可以通过所述盖实现接触元件的边缘区段的接触。

可能有益的是，接触元件形成了壳体的一部分和/或构造成薄膜，通过薄膜进行压电陶瓷的声学耦合，其中，压电陶瓷优选在整个表面上与接触元件粘接。在这个实施方案中，构件的数量可以被最小化。

但也可能合理的是，接触区段作为涂层或金属化结构施加到接触元件上或者通过置入优选颗粒形状的能导电的材料加工到接触元件中。接触元件尤其可以由电绝缘的材料制成，其中，事后相应的接触区段通过所述技术构造而成。由此可以毫不费力地制造接触元件的多个不同的实施方案。

但也可能有用的是，壳体具有盖，盖带有极性不同的电极，其中，在盖关闭时，电极与相应极性的接触区段处于导电连接，因而能通过盖的电极将交流电压施加给压电陶瓷。在这种实施方案中，在关闭的壳体内部保护压电陶瓷和接触元件。此外，在压电陶瓷和接触元件之间建立接触与盖的关闭状态联在一起，因而也已经可以光学地、即通过检查盖的关闭状态来对在压电陶瓷和接触元件之间建立接触进行核实。

但也被证实有利的是，电极在盖关闭时布置在盖的外侧处并且优选通过通孔与在盖的内侧处的相应极性的接头处于导电的连接，其中，在盖关闭时，在盖的内侧处的接头与相应极性的接触区段处于导电连接和/或处于接触。在这个实施方案中，能特别简单和舒适地用交流电压加载压电陶瓷，而在关闭的壳体内部保护压电陶瓷和接触元件。

本发明的另一个方面涉及一种用于制造根据之前的实施方式所述的超声换能器的方法，该方法包括下列步骤：

a.将压电陶瓷布置在壳体中，因而压电陶瓷的接触面与接触元件的相应极性的接触区段处于导电的接触；

b.用盖封闭壳体。

针对超声换能器的之前的实施方案的前述优点也相应地适用于制造该超声换能器的方法。

接下来结合所要求保护的发明阐释重要的术语和定义：

术语和定义

术语“流体”指的是液体或气体。

术语“压电陶瓷”指的是压电元件，其尤其构造成圆盘形并且优选在一个平面内延伸。

压电陶瓷可以具有下列特征：

-压电陶瓷由压电陶瓷材料构成。

-压电陶瓷构造成圆盘或板。

-压电陶瓷包括第一侧面和背离该第一侧面的第二侧面，其中，第一侧面和第二侧面优选准确地或基本上彼此平行地布置。

-压电陶瓷具有圆盘形状或扁平圆柱体形状，它们的轴向末端侧面形成了压电陶瓷的第一侧面和第二侧面，其中，侧表面形成了压电陶瓷的第三侧面。

第一电极可以具有下列特征：

-第一电极具有圆盘形状。

-第一电极居中地布置在压电陶瓷的第一侧面上。

-第一电极优选通过溅射工艺用其整个面施加到压电陶瓷的第一侧面上。

-第一电极部分遮盖压电陶瓷的第一侧面，因而在第一电极外在压电陶瓷的第一侧面上留有未被第一电极遮盖的优选环形的边缘。

-第一电极在其背离压电陶瓷的侧面上具有用于电接触第一电极的接触面。

第二电极可以具有下列特征：

-第二电极具有圆盘形状。

-第二电极布置在压电陶瓷的第二侧面上。

-第二电极在整个表面上遮盖压电陶瓷的第二侧面。

-第二电极优选通过溅射工艺用其整个面施加到压电陶瓷的第二侧面上

-第二电极包括至少一个接触面，该至少一个接触面布置在压电陶瓷的与第一电极的接触面相同的侧面上，其中，接触面通过偏转触点与第二电极的布置在压电陶瓷的第二侧面上的部分连接。偏转触点优选构造成带状的扁平导体并且至少延伸通过压电陶瓷的第三侧面。

-第二电极包括两个、三个、四个或更多的接触面，所述接触面优选对称地和/或等距地布置在压电陶瓷的与第一电极的接触面相同的侧面上。接触面优选在边缘侧布置在压电陶瓷的相应的侧面上。每个接触面的形状可以准确地或者基本上对应半圆形。第二电极优选具有四个一致构造的、优选半圆形的接触面，所述接触面以约90°的角距对称地并且等距地布置在压电陶瓷的第一侧面上。

接触元件可以具有下列特征：

-接触元件构造成圆盘形。

-接触元件具有第一接触区段，该第一接触区段条带形地沿径向方向延伸经过接触元件的第一侧面，其中，在接触元件的第一侧面的中心构造有优选基本上圆形的区段，该区段与压电陶瓷的第一电极的接触面的形状和尺寸协调一致，以便在连接状态下在整个表面上接触压电陶瓷的第一电极的接触面。

-接触元件具有两个第二接触区段，所述第二接触区段在第一接触区段的两侧并且与第一接触区段绝缘地布置在接触元件的第一侧面上，以便在连接的状态下接触压电陶瓷的第二电极的接触面。

-接触元件构造成罐形，其中，优选环绕的边缘在边缘侧从接触元件的第一侧面或底部突出，其中，边缘区段为了电接触接触区段而构造在接触元件的上方的边缘处。边缘区段超出接触元件的底部的超出高度优选大于压电陶瓷的高度。从接触元件的底部突出的边缘的内径或内圆周优选处在压电陶瓷的外径或外圆周的120％至200％的范围内。

-接触元件构造成用于压电陶瓷的声学耦合的薄膜。

-接触元件与压电陶瓷牢固地连接、优选粘接。

-接触元件由电绝缘的材料制成，其中，由导电的材料制成的第一和第二接触区段事后例如作为金属化结构或作为涂层涂敷到接触元件上，或者其中，由导电的材料制成的形式为置入的能导电的颗粒的第一和第二接触区段加工到接触元件中。

壳体可以具有下列特征：

-壳体包括罐形的壳体下部和盖。

-壳体的盖包括印制电路板或者构造成印制电路板。该印制电路板可以包括用于用交流电压加载压电陶瓷的极性不同的电极。印制电路板的电极在壳体关闭时优选处在印制电路板的或壳体的外侧上。印制电路板的电极例如借助通孔优选与在印制电路板的内侧上的相应极性的接头连接。印制电路板优选仅在特定的转动位置中能安装在壳体下部处，因而接头在盖关闭时与用于与接触元件的接触区段电接触的边缘区段处于导电的接触。在接头和用于与接触元件的接触区段电接触的边缘区段之间的接触压力可以例如通过压紧盖而按需提高。接头的形状和尺寸优选与用于与接触元件的接触区段电接触的边缘区段的位置协调一致。

-壳体由电绝缘的材料制成。

-壳体由结构陶瓷、优选由氧化铝制成。

-壳体由塑料、优选由pps制成。至少罐形的壳体下部优选由塑料在注塑方法中制造。

-壳体包括扁平圆柱体形的并且优选旋转对称的形状。

-壳体包括处在是压电陶瓷的直径的150％至300％范围内的直径。

-壳体包括处在压电陶瓷的高度或轴向长度的150％至500％的范围内的高度或轴向的长度。

-压电陶瓷和/或接触元件居中地布置在壳体中心或与壳体的轴线同心。

整个发明的其它有利的扩展设计由在说明书、权利要求和附图中公开的特征的组合得出。

附图说明

图1是按本发明的超声换能器的压电陶瓷的立体视图，具有第一侧面(底侧)的视图，其中，压电陶瓷构造成扁平圆柱体形的压电陶瓷圆盘并且第一电极(+)构造成圆形以及居中在整个表面上通过溅射工艺施加到压电陶瓷的第一侧面(底侧)上，因而在压电陶瓷的第一侧面上留有环形的边缘，该边缘没有被第一电极遮盖并且在该边缘中在边缘侧对称地并且彼此等距地间隔开地布置着第二电极(-)的总共四个半圆形的接触面；

图2是按图1的压电陶瓷的立体视图，具有第二侧面(上侧)的视图，第二侧面在整个表面上通过溅射工艺施加的圆形的第二电极(-)遮盖，其中，偏转触点从第二电极经由压电陶瓷的侧表面通往在压电陶瓷的第一侧面上的第二电极的接触面；

图3是一种装置的立体的分解视图，该装置包括按图2的压电陶瓷以及接触元件，该接触元件有极性不同的接触区段，所述接触区段为了建立起导电的连接而能与压电陶瓷的接触面处于接触，其中，接触元件构造成圆盘形并且第一接触区段(+)条带形地沿径向方向延伸经过接触元件的中点，以便形成圆形的中央区段，并且其中，两个第二接触区段(-)布置在第一接触区段的两侧并且基本上构造成半圆形；

图4是按图3的装置在一种状态下的立体视图，在该状态下，压电陶瓷按规定布置在接触元件上，因而压电陶瓷的接触面与接触元件的相应极性的接触区段处于导电的接触；

图5是按图4的装置的底视图，其中，接触元件局部透明示出；

图6是按图4和5的装置的立体视图，带有压电陶瓷的第二侧面(上侧)的视图，其中，压电陶瓷局部透明示出；

图7是装置的俯视图，该装置包括罐形的壳体下部和罐形的接触元件，其中，接触元件与图3所示的接触元件相似地构造并且额外在边缘侧从接触元件的底部隆起了一个环绕的边缘，其中，在接触元件的底部处的不同极性的接触区段可以通过在环绕的边缘的上方的末端处的相应的边缘区段接触；

图8是按图7的装置的立体的俯视图；

图9是按图7的装置在一种状态下的立体的俯视图，在该状态下，按图2的压电陶瓷按规定布置在接触元件上，因而压电陶瓷的接触面与接触元件的相应极性的接触区段处于导电的接触；

图10是按图9的装置的底视图，其中，壳体下部以及接触元件局部透明示出；

图11是带有不同极性的电极的印制电路板的立体的俯视图，交流电压能通过该印制电路板施加到压电陶瓷的电极上，其中，印制电路板形成了用于分别在图7至10中示出的壳体下部的盖；

图12是按图11的印制电路板的立体的底视图，其中，在印制电路板的底侧处或内侧处布置着极性不同的用于接触在图7至9中示出的接触元件的相应极性的边缘区段的接头，其中，所述接头借助通孔导电地与在外侧处的电极处于连接；

图13是按本发明的超声换能器的立体的俯视图，包括在图9中示出的装置结合图2所示的压电陶瓷，其中，印制电路板封闭在图7至10中示出的壳体下部，因而在盖内侧处的接头与接触元件的相应极性的边缘区段处于导电的接触，其中，印制电路板局部透明示出；

图14是按图13的超声换能器的另一个立体的俯视图。

具体实施方式

下面参考附图详细说明本发明的优选的实施例。

本发明的优选的实施例包括造型为耐受介质的超声换能器的超声换能器1，该超声换能器由结构陶瓷(例如氧化铝)制成的罐形的壳体2构成，该壳体带有造型为构造有接触区段8、9的接触元件2c的在底部中的结构化的电极，在接触元件上粘接着有专门匹配的偏转触点设计的结构化的压电陶瓷3(参看图1至6)。在通过氧化物陶瓷将耐化学腐蚀的材料用作薄膜并且通过造型为接触区段8、9的接触元件2c的结构化的金属化结构实现导电性时，创新之处在于，压电陶瓷3仅通过罐电接触。压电陶瓷3因此不必额外通过弹簧销或金属线接触并且因此受负荷或抑制。传感器通过胶合到壳体2中的印制电路板2d或电路板闭锁地封闭并且可以经此最终任意地接触。

通过结构化的电极的接触的替代原理当然可以不仅套用到罐上，而且也能套用到不同形状或造型的薄膜上。

也可以考虑用塑料(pps)来制造壳体。在注塑技术中，可以例如注射冲压格栅以电接触。用于在壳体中制造特殊的电极结构的另一种备选方案是塑料的金属化，在这个领域也有技术方案。

按本发明的超声换能器1具体包括下列部件：

图1和2示出了用于按本发明的用来测量流体量的超声换能器1的压电陶瓷3的一个实施方案。压电陶瓷3构造成扁平圆柱体形或圆盘形并且基本上在一个平面内延伸，其中，两个极性不同的圆形的电极4、5施加在压电陶瓷3的不同的侧面a、b上。压电陶瓷3的厚度或者两个侧面a、b的间距大致处在压电陶瓷3的直径的10％至25％的范围内。

第一电极4部分遮盖和接触压电陶瓷3的第一侧面a并且平面地通过溅射工艺居中地施加在压电陶瓷3的第一侧面a上。环形表面保持在压电陶瓷3的第一侧面a上的整个第一电极4周围并且未被第一电极4遮盖。第一电极4的背离压电陶瓷3的侧面形成了第一电极4的接触面6。

平面地借助溅射工艺施加的第二电极5在整个表面上遮盖和接触压电陶瓷3的第二侧面b。第二电极5的总共四个接触面7在边缘侧对称地并且等距地以距压电陶瓷3的中轴线约90°的角距布置在压电陶瓷3的第一侧面a上并且分别通过延伸经过压电陶瓷3的侧表面c的偏转触点5a与第二电极5的有源部分导电地连接。因此用于电接触两个电极4、5的接触面6、7布置在压电陶瓷3的同一侧面a上。第二电极5的接触面7基本上构造成半圆形。

除了图1和2所示的压电陶瓷3外在图3至6中还示出了一个接触元件2c，该接触元件具有至少两个极性不同的接触区段8、9，所述接触区段可以与相应极性的两个电极4、5的接触面6、7导电地接触。

接触元件2c在根据图3至6的实施方案中构造成圆盘形并且在一个平面内延伸。接触元件2c的直径大致处在压电陶瓷3的直径的150％至300％的范围内。用于接触压电陶瓷3的第一电极4(+)的第一接触区段8基本上条带形地沿径向方向延伸经过接触元件2c的表面，以便在接触元件2c的表面的中心形成一个大致圆盘形的区段，该区段规定用于与第一电极4的接触面6接触并且在其尺寸上与第一电极4的接触面6协调一致。第一接触区段8在边缘侧两侧有绝缘的区段，所述绝缘的区段将第一接触区段8与布置在两侧的并且基本上构造成半圆形的第二接触区段9分离。第二接触区段9设置和构造用于，在压电陶瓷3按规定布置在接触元件2c上并且与之平面地粘接时，与第二电极5的接触面7导电地接触。第一和第二接触区段8、9处在同一平面中和接触元件2c的同一表面上。接触元件2c可以构造成薄膜，通过该薄膜进行压电陶瓷3的声学耦合。接触区段8、9例如作为涂层或金属化结构施加到接触元件2c上或者通过置入例如颗粒形式的能导电的材料加工到接触元件2c中。

在根据图7至10的备选的实施方案中，接触元件2c可以构造成罐形并且插入到下方的罐形的壳体部分2a中或者形成了壳体2的一部分，其中，第一和第二接触区段8和9基本上与按图3至6的实施方案类似地布置在接触元件2c的底部处，而与图3至6不同的是，用于与接触区段8和9电接触的边缘区段8a、9a则在边缘侧从接触元件2c的底部突出。由下方的罐形的壳体部分2a形成的容纳部的尺寸超过了压电陶瓷3的尺寸，因而压电陶瓷3被完全包封在容纳部中。

图11和12示出了印制电路板2d，该印制电路板形成了用于封闭根据图7至10的下方的罐形的壳体部分2a的盖2b。

图13和14示出了按本发明的超声换能器1，其尤其构造用于测量流体量。这个超声换能器1包括壳体2，该壳体由根据图7至10的下方的罐形的壳体部分2a和根据图11和12的构造成印制电路板2d的盖2b构成。壳体2可以由诸如氧化铝之类的陶瓷或诸如pps之类的塑料制成，其中，由塑料制成的壳体优选在压铸工艺或注塑工艺中生产。在壳体中根据图1和2的压电陶瓷3和接触元件2c这样布置，使得接触元件2c的极性不同的接触区段8、9与相应极性的两个电极4、5的接触面6、7处于导电的接触。

在第一侧面d处，盖2b具有极性不同的电极12、13，所述电极在盖2b关闭时布置在盖2b的或壳体2的外侧处并且通过边缘区段8a、9a与相应极性的接触区段8、9处于导电的连接，因而能通过盖2b的电极用交流电压加载压电陶瓷3。电极12、13通过相应的通孔与在盖2b的内侧e处的相应极性的接头10、11处于导电连接。在盖2b的内侧e处的接头10、11在盖2b关闭时建立了与接触元件2c的边缘区段8a和9a的电接触比并且与相应极性的接触区段8、9处于导电的连接。

为了激励压电陶瓷3发生振动，必须在压电陶瓷3中产生交变电场。这通过将交流电压施加给压电陶瓷3的平面安装的电极4、5发生。

由于延伸经过压电陶瓷3的侧表面c的偏转触点5a，可以将压电陶瓷3的两个电极4、5的接触面6、7，这就是说用于正极和负极的接触点，安装在压电陶瓷3的一个侧面上。

压电陶瓷3具有对称的设计以形成最优的声束(schallkeule)，其中，居中布置的第一电极4形成了用于发声的有源区域并且额外存在带有四个偏转触点5a和接触面7的无源区域。

构造成接触元件2c的基底例如能借助溅射工艺(物理气相沉积或pvd)利于成本地实现。

压电陶瓷3与接触元件2c的声耦合通过在整个面上的粘接完成。通过粘接同时也完成了压电陶瓷3与接触元件2c的电接触，因而不需要例如通过钎焊或弹簧触点的附加的接触。在压电陶瓷3和接触元件2c之间的电接触通过接合的配对件的表面粗糙度实现。能导电的粘接剂因此不是强制性必需的。压电陶瓷3的中心电极4(正极)的接触面和负极5的接触面7在接触元件2c上的接触通过造型为接触区段8、9的特殊的电极结构和压电陶瓷3的特殊的定位实现。

压电陶瓷3的两个电极4、5与接触元件2c的接触因此设计得特别简单。确定功能的粘接(声耦合)和电接触能在一个安装步骤内实现。

上述装置可以安装到有相应的电接触区段8、9的壳体2中。另一种可能性在于在罐形的壳体2a中实现上述设计方案。

接触元件2c到壳体2中的实现或集成是可能的，其中，壳体2可以由结构陶瓷或塑料制成。接触区段8、9的电极导线的延续例如通过接触元件2c的和/或壳体2的内壁的金属化(例如借助pvd)在壳体2内的一个易于接近的凸肩中的接触面上完成。壳体2的内部金属化提供了额外的屏蔽。

用造型为印制电路板2d(fr4)的盖2b完成壳体2的封闭，其中，印制电路板2d的设计也可以在混合技术中完成(在氧化铝陶瓷上的印制电路)。

印制电路板2d与剩余的壳体2的粘接可以通过不导电的粘接剂完成，其中，在壳体2的接触面和pcb电极表面之间的电接触通过表面粗糙度完成。

根据本发明的超声换能器1因此仅由与压电圆盘3的集成式接触的三个部分构成。因此产生了到计数器电子器件的限定的接口(钎焊触点或插塞连接器)以及简单的能自动化的组件和连接技术，其中，安装可以从一侧进行。

附图标记列表

1超声换能器

2壳体

2a罐

2b盖

2c接触元件

2d印制电路板

3压电陶瓷

4电极(+)(压电陶瓷)

5电极(-)(压电陶瓷)

5a偏转触点电极(-)

6电极的接触面(+)

7电极的接触面(-)

8用于电极的接触区段(+)

8a用于与接触区段(+)接触的接触元件的边缘

9用于电极的接触区段(-)

9a用于与接触区段(-)接触的接触元件的边缘

10接头(+)(盖内侧)

11接头(-)(盖内侧)

12电极(+)(盖)

13电极(-)(盖)

a压电陶瓷的第一侧面(底侧)

b压电陶瓷的第二侧面(上侧)

c压电陶瓷的第三侧面(侧表面)

d盖的外侧

e盖的内侧