专利名称：用于流体介质中的超声波换能器的制作方法
用于流体介质中的超声波换能器
背景技术：
由现有技术已公知了用于各种应用领域的超声波换能器。例如超声波换能器用于 流体介质中，以测量液位和/或流体特性，例如流体介质的质量流或容积流或速度。这种超 声波换能器尤其用于内燃机的吸气管和/或排气管中。这些超声波换能器的例子已描述在 DE 203 02 582 U1,EP 0766 071A1 或 DE 10 2007 010 500 Al 中，它们也可根据本发明在 本发明的范围中被改进。超声波换能器通常具有至少一个电-声换能元件，例如压电换能元件，它被设置 来将电信号转换成超声波信号或相反地转换。由现有技术、如所述的现有技术公知了基于 压电陶瓷的超声波换能器，它可附加地包括至少一个阻抗适配层(例如一个λ/4阻抗适配 层)，其中声/电换能元件及选择性的至少一个阻抗适配层构成一个换能器芯。该换能器芯 可被装入一个壳体套筒中。在此情况下一个特别的困难在于抑制寄生的超声波路径，这些 寄生的超声波路径穿过传感器壳体材料延伸到换能器芯或在相反方向上延伸。此外这种寄 生超声波路径使测量信号失误，由此使所求得的被测量流体速率的值通常超过容限。因此 由现有技术、例如上面引证的EP 0766 071Α1或DE 203 02 582 Ul也公知了阻尼元件，它 被使用在壳体套筒的内部。例如可在换能器芯与壳体套筒之间设置脱耦元件。此外在许多 情况下可在套筒内部设置一个阻尼浇注部。但在此情况下表明在许多情况下在抑制通过壳体部件的寄生超声波路径-以下 也称为固体声-方面仍存在改善的需要。尤其在具有多个超声波换能器的传感器装置上通 过超声波路径可对各个超声波换能器产生副面影响，这可导致信号失误。

发明内容
因此提出一种用于流体介质中的超声波换能器，具有至少两个超声波换能器的传 感器装置及用于制造超声波换能器的方法，它们可解决上述问题。尤其本发明起到明显降 低通过壳体部件的寄生超声波路径的作用，即抑制了固体声。在本发明的第一方面提出一种用于流体介质中的超声波换能器。该流体介质可涉 及气体和/或液体，尤其涉及空气或废气。该超声波换能器尤其可用于检测流体介质的至 少一个特性，例如液位和/或流体介质的流动特性如流动速度，质量流或容积流。因此该超 声波换能器尤其可用在一个所谓的流量测量仪(Ultrasonic Flowmeter UFM)中，尤其用于 汽车技术中。但其它的应用领域原则上也是可能的。超声波换能器包括至少一个具有至少一个壳体内腔的壳体套筒。这里对于壳体套 筒原则上可理解为一个任意的壳体部件，它对接收在壳体内腔的部件提供机械保护和/或 电磁屏蔽。该壳体例如可旋转对称地构成，例如为一个圆柱形套筒的形式，例如具有一个多 角形或圆形的横截面。壳体套筒尤其可具有至少一个开口，该开口向着流体介质并接收超 声波换能器的至少一个辐射面。通过该辐射面例如可将超声波脉冲输出给流体介质或由流 体介质接收超声波脉冲。该辐射面可为圆形的或多角形的辐射面。与此相应地壳体套筒例 如可被构成一个圆柱形的、向着流体介质张开的套筒。
在壳体内腔中装入至少一个换能器芯。该换能器芯包括至少一个声-电换能元 件。如上所述，声-电换能元件原则上可为一个任意的元件，它被设置来将电信号转换成声 信号，尤其超声波信号或相反地转换。该声-电换能元件尤其可包括一个压电换能元件(以 下也称为压电陶瓷)或完全被构成这种压电换能元件。此外如上所述，换能器芯可包括一 个或多个附加元件，尤其至少一个适配体，该适配体被设置来至少减小声-电换能元件与 流体介质之间由于阻抗不同产生的耦合损耗。例如所述至少一个适配体可包括至少一个阻 抗适配层，例如一个λ/4阻抗适配层。对于这种适配体例如可参考上述现有技术，例如DE 10 2007 010 500 Al或EP 0766 071 Al。该适配体尤其可包括至少一个材料，它的阻抗处 于声-电换能元件的阻抗与流体介质的阻抗之间，例如处于这些阻抗的几何中心。换能器 芯例如可被这样地构成，即首先在壳体内腔中接收声-电换能元件，接着接收至少一个适 配体，该适配体提供了一个向着壳体内腔的对着流体介质的开口的辐射面。该壳体开口例 如可完全地或部分地由至少一个密封元件封闭，例如由至少一个密封膜封闭，如下面还要 详细地描述的。为了解决上述问题提出在壳体内腔外部至少设有一个阻尼元件，该阻尼元件与 壳体套筒形成接触。该阻尼元件被设置来阻尼固体声。与此相应地该阻尼元件例如可包括 至少一个阻尼材料，该阻尼材料被设置来至少在超声波范围中阻尼声波信号的传播或固有 振荡。在本发明的范围内对于阻尼元件一般地将理解为一个元件，该元件能够吸收能 量、尤其声能。在此情况下应这样来设置阻尼元件，即它直接地或间接地要与至少一个待阻 尼的部件形成接触。这里阻尼元件最好相对待阻尼的部件不要脱耦，而是与其耦合。阻尼 元件尤其具有与待阻尼部件尽可能类似的阻抗，例如相对压电元件可通过使用一个硬材料 和或通过重的填充材料来达到。阻尼元件应还能够耗散所吸收的能量，这就是说例如通过 粘弹性损耗转换成热。为此目的则应使用一种软材料。一般附加使用空腔的散射或具有其 他阻抗的填充材料也是有益的。原则上与阻尼元件有区别的是脱耦元件，后者可选择性地附加地设置。这里脱耦 元件一般指一种元件，它被设置来传递尽可能小的振荡能量。这例如可通过阻抗适配来实 现，例如通过使用一种软材料作为脱耦元件达到相对一个硬的压电元件的阻抗适配。脱耦 元件的材料也可选择性地例如被加入一个或多个空腔。一般在实践中上述的阻尼元件与脱耦元件之间的区别并非很充分的。在壳体套 筒外部的一个典型的脱耦元件-它不应被理解为上述的阻尼元件，但它可选择地附加地存 在-例如为借助至少一个完全地或部分地围绕壳体套筒的、例如由弹性材料组成的0型密 封圈将壳体套筒悬置起来的形式的脱耦元件。但这样一个0型密封圈通常无足够的抗介质 能力。当这种0型密封圈通过一个介质防护部分、例如通过一个刚性连接部分将使声波跨 接时，该0型密封圈将不再能脱耦。另一方面其小的阻尼不能足以抑制固体声的传播或使 其限制在一个短的时间间隔内。例如阻尼材料可包括至少一个塑料材料，例如作为具有可塑性变形特性的母质材 料，例如弹性体材料和/或软热塑性材料。但原则上也可使用热固性塑料材料。例如可使 用带有或不带有填充材料的硅树脂和/或柔性化的环氧树脂。通常初级的阻尼机制一般地通过阻尼材料的损耗模量来确定，例如通过量Ε”和/或tan(S)。可选择性地通过一个或多个填充材料来改善阻尼。例如可使用一个或多个填 充材料，它们相对阻尼材料本身的塑料材料具有显著的阻抗区别，由此可调整散射和/或 对被阻尼物体阻尼适配的改善。例如可使用一种具有高损耗模量的材料来作为阻尼材料的母质。该高损耗模量尤 其可与该阻尼材料的小硬度相联系。该阻尼材料可被填充一个或多个更硬的填充材料，以 致总地使该阻尼材料较硬地构成。由此例如使它的阻抗可适配壳体套筒的阻抗。一个或多个填充材料的使用也允许使用塑料，这些塑料是不太可变形的，例如热 塑性塑料和/或环氧树脂，但它们通常通过其高硬度可更好地适配壳体套筒的套筒材料的 阻抗，尤其当该壳体套筒由金属作成时。例如可使用这样的阻尼材料，它们连同其填充材料 在内总地具有20至80的肖氏A级硬度。但原则上也可使用更硬的材料。阻尼元件尤其可涉及阻尼浇注部，或阻尼元件可包括这种阻尼浇注部。这里对于 阻尼浇注部原则上可理解为一种任意的阻尼元件，当它被施加到超声波换能器中时它得到 最终的构型。该施加例如可通过铸造方法，浇注方法或压制方法或其它的造型方法。因此 阻尼浇注部与如在现有技术中许多情况下用于阻尼的置入件或模制件不同。如上所述，阻尼元件包括至少一个具有所述阻尼特性的阻尼材料，特别可取的是， 阻尼元件包括下列材料至少之一硅树脂，尤其液态硅树脂；热固性塑料，尤其环氧树脂， 特别是柔性化环氧树脂；热塑性塑料；尤其至少一个设有空腔和/或填充材料的上述材料。 这些材料可单独地或以任意组合地使用，它们相对固体声具有特别好的阻尼特性并同时易 于被加工，尤其在阻尼浇注部的范围内。对于电-声换能元件的电磁屏蔽有利的是壳体套筒包括至少一个金属材料。该 至少一个金属材料例如包括至少钢和/或铝。也可以是不同金属的组合。因为可附加地使 用至少一个阻尼元件，可在很大程度上补偿金属材料对固体声存在很小阻尼的缺点，以致 在本发明的范围内可使良好的电磁屏蔽特性与小的固体声传播相组合。阻尼元件、尤其阻尼浇注部可用不同的方式在壳体内腔的外部与壳体套筒形成接 触。附加地，也可在壳体内腔的内部设置至少另一阻尼元件，正如下面将详细描述的。特别 可取的是，阻尼元件至少部分地被施加在壳体套筒的外表面上。如上所述，这例如涉及一个 圆柱形的壳体套筒，因此可在圆柱套筒的圆柱面上和/或其背着流体介质的端面上施加阻 尼浇注部。对在外表面上施加变换地或附加地，也可在其它位置上、尤其可在壳体套筒本身 内部的位置上设置至少一个阻尼元件，例如至少一个阻尼浇注部。由此壳体套筒例如可包 括多个空腔，其中这些空腔中的至少一个可被用于施加阻尼元件。特别可取的是，壳体套筒 附加地具有至少一个阻尼空腔，其中该阻尼空腔至少部分地被填充阻尼元件。阻尼空腔例 如可被这样地构成，以致它不向着流体介质地被填充。如下面还要示范描述的，阻尼空腔例 如可包括一个折边或一个卷边，它相对流体介质被封闭及例如具有一个背着流体介质地向 外的开口，通过此开口可施加至少一个阻尼元件、例如阻尼浇注部。对此在下面还要详细地 描述各个实施例。对在壳体内腔的外部设置阻尼元件附加地可在壳体内腔中设置阻尼元件。例如总 是可在壳体内腔中设置一个阻尼浇注部和/或至少一个脱耦元件，它例如在径向上包围换 能器芯及使换能器芯由壳体套筒屏蔽。
超声波换能器除至少一个壳体套筒外还可具有至少一个传感器壳体。该传感器壳 体例如可接收一个或多个壳体套筒。超声波换能器例如可被构成可插入的组件，它例如可 插入到一个导流管、尤其一个导流管壁中。但变换地或附加地，传感器壳体本身可包括一个 或多个用于流体介质的导流管。如果设有至少一个传感器壳体，则特别可取的是，壳体套筒至少部分地被接收在 传感器壳体中。阻尼元件则可最好至少部分地被设置在壳体套筒与传感器壳体之间。这意 味着，阻尼元件、尤其阻尼浇注部被物理地设置在这些元件之间和/或使这些元件相互连 接，例如其方式为设置一个共同的浇铸体，它使传感器壳体与壳体套筒相互连接。在下面还 要描述各个实施例。阻尼元件尤其可至少部分地填充、尤其材料锁合地填充壳体套筒与传感器壳体之 间的至少一个中间空间。在此情况下阻尼元件尤其作为可变形的或液体材料被施加到该中 间空间中并完全地或部分地适配壳体套筒的向着中间空间的外部轮廓和/或适配传感器 壳体的向着中间空间的内部轮廓。在传感器壳体与壳体套筒之间的中间空间尤其可完全或 部分地被填充、尤其形状锁合地被填充阻尼元件，尤其通过阻尼浇注部来填充。阻尼元件以 该方式或其它方式起到在壳体套筒与传感器壳体之间的跨接作用。传感器壳体可具有至少一个用于引导壳体套筒的导向元件。该至少一个导向元件 尤其可具有至少一个薄层，最好至少两个或至少三个薄层。在此情况下阻尼元件例如至少 部分地被设置在导向元件与壳体套筒之间。在薄层之间例如可施加阻尼浇注部，以致在薄 层与壳体套筒之间的中间空间至少部分地被填充阻尼浇注部。传感器壳体尤其可包括至少一个用于接收壳体套筒的接收开口。导向元件、例如 薄层可被设置在该接收开口中，并最好延伸在与接收开口的轴线平行的方向上，该接收开 口例如可被构成圆柱形。在此情况下，如上所述，阻尼浇注部例如可至少部分地被填充在接 收开口的壁与壳体套筒的外壁之间的中间空间中。接收开口尤其可具有至少一个止挡、尤其至少一个环圈。壳体套筒在安装状态中 可靠置在止挡上，由此流体介质的压力可通过壳体套筒传递到止挡上及超声波换能器总地 对压力密封地构成。除了上述一个或多个构型的超声波换能器外本发明还提出用于检测流体介质的 至少一个特性的传感器装置。如上所述，该特性例如涉及流体介质的流动特性和/或在至 少一个箱中流体介质的液位。在这方面可参考上面的描述。传感器装置包括至少两个根据 以上所述一个或多个构型的超声波换能器。在此情况下尤其可取的是构造至少一个用于 两个超声波换能器的阻尼元件。例如可设置一个阻尼浇注部，它使两个超声波换能器相互 连接及使两个超声波换能器阻尼或抑制其固体声振荡。除了上述一个或多个构型的超声波换能器及传感器装置外本发明还提出用于制 造超声波换能器的方法。该方法尤其可被用来制造上述一个或多个构型的超声波换能器。 与此对应地在很大程度上可参考以上的描述。在所提出的方法中提供至少一个具有至少一 个壳体内腔的壳体套筒，其中在壳体内腔中装入至少一个换能器芯。该换能器芯包括至少 一个声-电换能元件。在壳体内腔外部至少一个阻尼元件与壳体套筒形成接触。这里该阻 尼元件被设置来阻尼固体声。根据以上描述的超声波换能器及传感器装置以及所提出的方法相对这类的公知装置及这类的公知方法具有许多的优点。该超声波换能器首先在原理上与由现有技术公知 的超声波换能器、例如根据以上所引证的现有技术的超声波换能器相应地构成。这些超声 波换能器可根据本发明来改型。超声波换能器、例如至少一个压电陶瓷可包括至少一个适 配层及一个作为超声波换能器壳体的壳体套筒。该超声波换能器可未进一步脱耦地刚性 地、例如借助粘接安装在传感器壳体中。至少在安装状态中在传感器壳体中阻尼元件的阻 尼材料、例如阻尼浇注部可机械地与壳体套筒形成接触。这个最好由外部施加在壳体套筒 上的材料将阻尼壳体的固体声振荡，以使得该固体声振荡仅在一个时间上无关紧要的时间 窗中可传递到另一超声波换能器上。为了密封超声波换能器，尤其密封它的内部选择性的硅树脂脱耦元件和/或它的 选择性的多孔阻抗适配层，可如上所述，附加地在向着流体介质的换能器前部上施加至少 一个密封薄膜。该密封薄膜也可这样来构成，即它传递固体声，但该固体声通过所述至少一 个阻尼元件的阻尼可从外部很快地被阻尼。也如上所述地，电磁屏蔽措施(EMV措施)可使用由金属材料作成的壳体套筒。如 不用本发明及尤其使用密封薄膜时这样构成的套筒由于金属的固有阻尼小在发送过程后 形成长时间延续的振荡并在该时间期间传播固体声。壳体套筒在选择性的传感器壳体中的刚性安装尤其同时实现了一定的密封度及 位置稳定性，而在脱耦的安装、即软性安装时情况则不是这样。当附加地需要一个脱耦元件 时，则该刚性安装意味着该脱耦元件应被设置在套筒的内部。在此情况下接触在电-声换 能元件上的内部阻尼材料也与套筒脱耦及当固体声导入时它不能使该套筒阻尼。


在附图中表示出本发明的实施例及在以下的说明中对其详细地描述。图1 未设有根据本发明的阻尼元件的一个超声波换能器；图2至4 根据本发明的用于制造一个根据本发明的超声波换能器的方法的方法 步骤；图5及6:根据本发明的具有不同设置的阻尼元件的超声波换能器的各个实施 例；图7 根据本发明的传感器装置的一个实施例；及图8及9 根据本发明的具有附加阻尼空腔的超声波换能器的其它实施例。 实施例如上所述，关于可能的超声波换能器在很大程度上可参考现有技术，其中在那里 所述的超声波换能器可通过附加根据本发明的阻尼元件来变型。图1中以截面表示出一个 超声波换能器110的实施例的侧视图。该超声波换能器110不具有外部的阻尼元件及由此 仅代表用于制造根据本发明的超声波换能器110的一个预备阶段。但原则上根据本发明也 可改型其它的超声波换能器110。超声波换能器110包括一个具有壳体内腔114的壳体套筒112。该壳体套筒112 例如可由一种塑料材料、尤其一种硬塑料材料或一种金属材料制成。在所示的例子中壳体 套筒112具有罐状，它设有一个壳体开口 116，在超声波换能器110使用时该壳体开口向着流体介质118并被一个边缘120包围。该壳体开口 116可例如通过密封膜122相对流体介 质118密封。该密封膜122例如可与边缘120连接及可选择地与一个接收在壳体内腔114 中的换能器芯1 连接，例如通过粘接来连接。在所示的实施例中换能器芯1 基本上被接收在壳体内腔114的中心。它包括一 个电-声换能元件126，在下面对该电-声换能元件1 的其它可能构型并无限制地也称该 电-声换能元件为压电元件、压电陶瓷元件或压电换能元件。电-声换能元件1 例如可 通过接触销1 和/或金属引线丝130形式的馈线在背面、即在超声波换能器110的背着 流体介质118的一侧形成电接触。在所示的例中换能器芯IM还可选择地包括至少一个适配体132，以便改善电-声 换能元件126与流体介质118之间的声耦合。在这里它例如可涉及至少一个阻抗适配层。 对于这种适配体132的构型例如可参考以上引证的现有技术，尤其参考EP 0 766 071A1或 DE 10 2007 010 500A1。在那里所描述的用于阻抗适配层的材料原则上也可在本发明的范
围中使用。换能器芯IM还可包括一些附加元件。例如在适配体132与电-声换能元件1 之间可设置至少一个连接元件134。该连接元件134可包括至少一个粘着剂。变换地或附 加地该连接元件134也可包括一个或多个补偿元件，它们例如使电-声换能元件126的热 特性/机械特性适配于适配体132的热特性/机械特性。在所示实施例中超声波换能器110还包括一个脱耦元件136，它可在径向上包围 换能器124。该选择性的脱耦元件用于保证使换能器芯IM机械地固定在壳体内腔114中 及在此情况下同时避免壳体套筒112对换能器芯124的直接声耦合。该脱耦元件136例如 也可包括一个阻尼材料。此外壳体内腔114的剩留空腔-尤其在换能器芯IM的背着流体介质118的一侧 上-完全地或部分地填充一种阻尼元件138，例如一种阻尼浇注部140。壳体内腔114在背 面可通过一个盖142至少部分地封闭，此盖例如为一个圆环盖的形式。此盖142可用不同 的方式与壳体套筒112连接，例如通过螺丝连接、敛缝、粘接或通过其它力锁合、形状锁合 或材料锁合的连接。例如壳体套筒112的一个区域可卷边和/或弯边，以便保持盖142。盖 142可同时用作电-声换能元件1 的馈线的保持装置，例如用作接触销1 的保持装置。图1中极其概要表示的视图仅表示超声波换能器110的一个可能的实施形式。在 电-声换能元件1 的压电陶瓷中实现电机械的换能，该电-声换能元件1 通过连接元件 134与适配体132耦合，该适配体例如为阻抗适配层。这里选择性的连接元件不必一定为一 个单独的部件或材料，而它也可例如涉及一个与适配体132的材料的纯粘附接触，如DE 10 2007 010500A1中所描述的。但也可变换地或附加地设置一个单独的粘着剂层作为连接元 件134和/或该连接元件可包含一个材料，它能实现电/声换能元件1 与适配体132的 阻抗适配层之间的热/机械的和/或声的补偿。有利的是，连接元件134的材料的声阻抗及其热膨胀系数处于电/声换能元件126 与适配体132的相应值之间。适配体、尤其阻抗适配层其厚度例如在所使用的超声波频率 的四分之一波长的数量级上及最好具有一个声阻抗，该声阻抗在空气的声阻抗与声/电换 能元件126-例如压电元件-的声阻抗之间。其确切的材料及几何参数可这样地选择，使得 例如在换能效率、带宽及辐射特性方面得到正如相应的应用所需的值。多孔材料或合成的泡沫材料尤其适合于阻抗适配，其中可通过密度来减小声阻抗。这里作为例子可列举带有 填料、如玻璃珠或空腔的环氧树脂，或多孔地烧结的聚酰亚胺。对于热/机械补偿可考虑两种不同的机制。一方面可使用粘着剂或单独的材料， 或如上所述地，连接元件Π4可为阻抗适配层或适配体132的一部分。连接元件134 —方 面应足够地硬，以便在电/声换能元件1 与适配体132之间达到合适的声耦合，并同时有 足够柔性，以便均衡或减小这两个部件之间的热应力。变换地或附加地，在第二机制中可使用一种材料，它不是绝对地在柔性上作出选 择，但具有一个在适配体132与电/声换能元件126的值之间的热膨胀系数。理想地该值 可接近电/声换能元件126的值，因为该电/声换能元件-例如一个压电元件-通常对拉 应力反应灵敏。在两个所提出的构思中可通过层厚度及材料参数来详细地调整热/机械补 偿和声补偿。换能器芯124除声/电换能元件1 外可如上所述地包括适配体132，连接元件 134及选择性地包括其它元件，该换能器芯通过脱耦元件136被固定在壳体套筒112中。如 上所述，该壳体套筒112例如可基本上由塑料和/或金属组成。为了使超声波换能器110 相对流体介质118密封，可设有所述的密封膜122，该密封膜例如可用作密封用的薄膜。超 声波换能器110在背面例如通过盖142封闭，此盖同时用作接触销128的载体。为了使电/声换能元件1 在发送过程后尽可能快地过渡到静止状态，设置了阻 尼浇注部140形式的内阻尼元件138。这在一方面尤其可产生特别短及宽带的超声波信号。 在另一方面可使电/声换能元件126在发送过程后很快地达到静止，以致超声波换能器110 在一个相对短的时间间隔内既可用作为超声波信号的发送器也可用作为其接收器。图2至 4中表示出在制造根据本发明的超声波换能器110时的不同方法步骤。这里超声波换能器 110根据图1所示的实施例附加地构有一个传感器壳体144。传感器壳体144具有一个接 收开口 146，该接收开口由一个环圈150形式的止挡148包围。具有图1中所述的内部结 构的壳体套筒112可从流体介质118侧插入接收开口 146。在接收开口 146内还设有薄层 154形式的导向元件152。图2表示超声波换能器装配到传感器壳体144中。如上所述，该传感器壳体可选 择性地设有导向元件152。这些导向元件152可被构成这样的导向结构，它们可向上地、即 离开流体介质118地变窄。在装配过程时壳体套筒112可被夹紧在这些导向元件152上， 以致直到下个选择性的粘接过程结束时壳体套筒112相对传感器壳体144的位置不会再改变。图3表示在图2所示的装配过程后壳体套筒112的位置。在此情况下壳体套筒 112如上所述地用其边缘120靠置在环圈150上，当该超声波换能器110后来必需在待测 量的介质的反压力下工作时，该环圈也可用于支撑。通过在超声波换能器的前部区域中接 触在环圈150上及通过后部换能器区域中的导向元件152使壳体套筒112和/或换能器芯 1 相对传感器壳体144的位置可重现地被固定。特别有利的是使用三个导向元件152，以 避免该位置的超静定。导向元件152可层状地构型，以致在接收开口 146内在传感器壳体 144与壳体套筒112之间留有用于例如一个阻尼浇注部158形式的阻尼元件156的空间。 该空间被表示在下方的图4中。如果要使用多个薄层以使阻尼浇注部158分配到各个区段 中的话，则也可使用不同的薄层形状，其中一个形状作为导向结构用于换能器的固定及另外的形状可体现为导向元件之间的分隔部。最后在图4中表示出超声波换能器110的装配状态。壳体套筒112例如可通过一 个粘胶160与传感器壳体144连接。该粘胶160可同时用于密封及密封膜122边缘的封闭。 脱耦元件136、内部阻尼浇注部140对其它换能器部分的接触、并尤其是密封膜122通常将 一定的固体声份额传递到壳体套筒112上。如果两个超声波换能器110被接收在一个共同 的传感器装置中，例如使用一个共同的传感器壳体144 (见图7中的实施例)，则固体声可由 一个超声波换能器到达另一个超声波换能器110及在后者中产生一个固体声，该固体声干 扰地与真正待测量的信号相叠加。如果待测量的介质例如为气体(尤其空气)，则固体声份 额很快地作为通过气体的超声波从一个超声波换能器传递到另一超声波换能器110。因此 固体声的快速衰减对于低干扰的测量是有利的。而任何能量的馈入在超声波换能器110区 域中部件振荡的意义上可暂时严重地延长固体声的影响。尤其是壳体套筒112可被激励到 这样的振荡。尤其例如当出于EMV(电磁电容)的考虑时，即出于电磁屏蔽的考虑时，将选 择金属套筒作为壳体套筒112，它可被激励到衰减很慢的振荡，因为金属通常具有比其它材 料-例如塑料-小的固有阻尼。为了使该固有振荡仍很快地被阻尼，在图4中所示的实施 例中用一个外部阻尼元件156与壳体套筒112形成接触，尤其是一个阻尼浇注部158的形 式的外部阻尼元件。通过上述的导向元件152、尤其薄层巧4可照顾到阻尼浇注部158在最终固化前 的倾斜装配位置上不会很快地从一个换能器侧流到另一换能器侧。可通过一个壁162对外 限定或保持阻尼浇注部158。如图5中所示，整个超声波换能器112可在背面被阻尼。该图表示一个实施例，它 基本上相应于根据图4的实施例。但附加地在壳体套筒112及传感器壳体144的背着流体 介质118的背面被大面积地施加了阻尼元件156，尤其阻尼浇注部158。在此情况下中间空 间也可被填入导向元件152，亦如图5可看出的。在图6中则表示出根据图5的实施例的一个变型，其中仅进行了背面的部分覆盖。 与此相应地例如也可在导向元件152或薄层154的区域中在传感器壳体144与壳体套筒 112之间的空腔仅被部分地填充。在图7中则表示包括多个超声波换能器110的传感器装置164的一个实施例。这 些超声波换能器110-在所示的该实施例中设有两个超声波换能器100-被接收在一个共同 的壳体144中。这些超声波换能器110例如可根据图5中的实施例或根据其它的实施例构 成。这里可设置一个共同的外部阻尼元件156，尤其一个共同的阻尼浇注部158，通过它使 两个超声波换能器110相互连接。但原则上也可为其它构型的超声波换能器110。根据图 7的传感器装置164例如可用于传播时间的测量。由外部阻尼壳体套筒112的至少一个阻尼元件156无需一定在安装到传感器壳体 144中的期间或其后才被施加。在图8及9中表示出根据本发明本的超声波换能器110的 两个实施例，其中在壳体套筒被接收到传感器壳体144中以前，外部阻尼元件156就已至少 部分地被施加到壳体套筒112上。图8中的超声波换能器110的实施例主要在内部结构上基本相应于根据图1的 超声波换能器110。在这方面至少可在很大程度上参考对该图的说明。但与根据图1的实 施例不同地，在根据图8的壳体套筒112中除壳体内腔114外具有至少一个阻尼空腔166。该阻尼空腔166例如可如图8所示地这样构成，即壳体套筒112被构成双壁的。在此情况 下边缘120被这样地向上拉升，以致在向上拉升的边缘与壳体套筒112原来的壁之间构成 一个作为环形空间的阻尼空腔166。该环形空间向着流体介质118 —侧通过边缘120的卷 边封闭，相反地在壳体套筒112背着流体介质118的一侧上是张开的，以致例如阻尼浇注部 158形式的阻尼部件156可从这一侧来施加。但-例如类似于图4至7中实施例的-外部 阻尼浇注部可选择性地附加设置。在图9中也表示出一个超声波换能器110的实施例，它首先也基本上相应于根据 图8中的实施例。也设置了一个壳体套筒112的双壁构型形式的阻尼空腔166。在这方面 可在很大程度上参考对根据图8的实施例的说明。但在根据图9的实施例中却取消了位于 内部的脱耦元件136。这尤其在这样的情况下是可能的其中固体声路径主要通过密封膜 122，以致通过脱耦元件136的脱耦反正要通过密封膜122跨接或声“短路”及由此不再会 带来好处。也可在本发明的所有实施例中对壳体套筒112的阻尼附加地采取至少另一个阻 尼措施。与此相应地例如也可通过壳体套筒112提高其固有阻尼，其方式是例如为壳体套 筒112选择一个合适的材料，该材料使声波散射和/或转换成热。通常这种固有阻尼确切 地由塑料给出，其中硬塑料或热稳定的塑料通常具有欠佳的阻尼特性。而金属作为套筒材 料具有更差的固有阻尼。但对此金属仍具有优点，即它可用于换能器的电屏蔽措施。在此 情况下套筒需要特别好的外部阻尼，例如使用根据本发明的外部阻尼元件156，尤其是阻尼 浇注部158。
权利要求
1.用于流体介质(118)中的超声波换能器(110)，包括至少一个具有至少一个壳体内 腔(114)的壳体套筒(112)，其中，在该壳体内腔(114)中装入至少一个换能器芯(IM)，其 中该换能器芯(124)包括至少一个声-电换能元件(126)；其中在该壳体内腔(114)外部 至少一个阻尼元件(156)与该壳体套筒(112)形成接触，其中该阻尼元件(156)被设置来 阻尼固体声。
2.根据上一权利要求的超声波换能器(110)，其中，所述阻尼元件(156)包括阻尼浇注 部(140)。
3.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述阻尼元件(156)包括 下列材料至少之一硅树脂，尤其液态硅树脂；聚氨酯；环氧树脂；设有空腔的聚合物材料； 设有固体形式的填充颗粒的聚合物材料。
4.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述壳体套筒(11 包括 一金属材料。
5.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述阻尼元件(156)至少 部分地被施加在所述壳体套筒(112)的外表面上。
6.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述壳体套筒(11 附加 地具有至少一个阻尼空腔(166)，其中该阻尼空腔(166)至少部分地被填充所述阻尼元件 (156)。
7.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，在所述壳体内腔(114)中 附加地设有至少另外一个阻尼元件(138)。
8.根据以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，还包括至少一个传感器壳体 (144)，其中，所述壳体套筒(11 至少部分地被接收在所述传感器壳体(144)中，其中所述 阻尼元件(156)至少部分地被设置在所述壳体套筒(11 与所述传感器壳体(144)之间。
9.根据上一权利要求的超声波换能器(110)，其中，所述传感器壳体(144)具有至少一 个用于引导所述壳体套筒(112)的导向元件(152)、尤其至少一个薄层(IM)，其中所述阻 尼元件(156)至少部分地被设置在所述导向元件(15 与所述壳体套筒(11 之间。
10.根据权利要求8或9的超声波换能器(110)，其中，所述传感器壳体(144)包括至 少一个用于接收所述壳体套筒(112)的接收开口(146)，其中所述接收开口(146)具有至少 一个止挡(148)、尤其一个环圈(150)，其中所述壳体套筒(11 靠置在所述止挡(148)上。
11.用于检测流体介质(118)的至少一个特性的传感器装置(164)，包括至少两个根据 以上权利要求中任一项的超声波换能器(110)，其中，所述至少一个阻尼元件(156)对于两 个超声波换能器(110)共用地构成。
12.用于制造超声波换能器(110)、尤其根据以上涉及超声波换能器(110)的权利要求 中任一项的超声波换能器(110)的方法，其中，提供至少一个具有至少一个壳体内腔(114) 的壳体套筒(112)，其中在所述壳体内腔(114)中装入至少一个换能器芯(IM)，其中所述 换能器芯(124)包括至少一个声-电换能元件(1 )，其中在所述壳体内腔(114)外部使至 少一个阻尼元件(156)与所述壳体套筒(112)形成接触，其中所述阻尼元件(156)被设置 来阻尼固体声。
全文摘要
本发明提出一种用于流体介质(118)中的超声波换能器(110)。该超声波换能器(110)包括至少一个具有至少一个壳体内腔(114)的壳体套筒(112)。在壳体内腔(114)中装入至少一个换能器芯(124)。换能器芯(124)包括至少一个声-电换能元件(126)。在壳体内腔(114)外部至少一个阻尼元件(156)与壳体套筒(112)形成接触，该阻尼元件被设置来阻尼固体声。
文档编号G01F23/296GK102065361SQ201010529160
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者B·金茨尔, G·许弗特勒, M·霍斯特布林克, R·万贾, R·米勒, S·拉德万, T·朗 申请人:罗伯特·博世有限公司