耦合元件、超聲換能器以及超聲流量計的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種根據權利要求1前序部分的耦合元件，根據權利要求2前序部分的超聲換能器以及超聲流量計。
【背景技術】
[0002]超聲變送組件領域內多個不同組件和層序是公知的。
[0003]EP0974814B1公開了一種具有支撐或接觸面的耦合元件，其具有用于承載壓電元件的凹槽。耦合元件和壓電元件之間布置有金屬盤。該金屬盤粘接在向支撐面傾斜，并且也形成該凹槽底面的平面上。這種設計已經基本上證明了自己，并且由于其較高的熱循環而受到關注。然而，金屬盤和耦合元件之間會發生高的阻抗差也已經被注意到。

【發明內容】

[0004]因此，本發明的目的在于提供一種耦合元件以及超聲換能器，其減少了上述問題，同時確保對高熱循環的連續抵抗。
[0005]通過具有權利要求1特征的耦合元件以及具有權利要求2特征的超聲換能器，本發明達到該目的。
[0006]根據本發明，超聲換能器的耦合元件包括第一凹槽。該凹槽例如可以是傾斜鉆孔，其被形成為盲孔。該凹槽具有終端底面。形成的該底面優選大致是平坦的，但是可以包括波紋、浮凸等，從而增加表面面積及并且更好地將要使用的鑄件化合物粘貼在底面上。提供所述第一凹槽用于布置壓電元件。
[0007]特別地，將超聲信號垂直地引入到所述底面，其中引入底面的該超聲信號由壓電元件預先產生，并且可通過諸如金屬盤的其它中間層傳送到耦合元件處。
[0008]根據本發明，耦合元件包括一個或多個凹槽內的停止件。這些停止件用于定位支撐盤，或者在不優選的壓電元件實施例中直接使用，并且由于與停止面對齊，優選與平行于所述底面的平面對齊。出于該目的，停止件具有停止面，例如支撐盤或壓電元件停留在該停止面上，并且沿著平面延伸。
[0009]所述平面平行于第一凹槽的底面布置，并且與后者間隔開。該平面和底面與凹槽外圍側一起形成用于容納聲學適配層材料的空間。
[0010]由于這些幾何形狀的要求，除了支撐盤之外，該適配層提供改善了相對于壓電元件和支撐盤的阻抗匹配，可以被容易地插入到上述的耦合體。支撐盤和/或壓電元件在鑄件化合物制成的適配層上的位置由停止件確定，并且最終平行于第一凹槽的底面。
[0011]根據本發明，超聲換能器包括耦合元件，其中按順序布置壓電元件、支撐盤和適配層。為了便于定位支撐盤，在優選實施例中，耦合元件裝配有與權利要求1的特征類似的停止件。
[0012]耦合元件具有第一凹槽，其中所述第一凹槽內布置壓電元件。第一凹槽還具有終端底面。壓電元件產生的超聲信號被引入到該底面內，優選是垂直引入。
[0013]在第一凹槽內，還提供支撐盤來支撐壓電元件，優選為支撐盤。可替換地，該盤還可以由具有適當阻抗、熱膨脹以及機械補償效應的其它合適材料制成，例如陶瓷、玻璃或若干材料制成的復合材料，相比于波長，其聲學效應表現為是均勻的，并且非均勻性很小。
[0014]支撐盤允許在平行于耦合元件終端底面的平面內支撐壓電元件。這里，支撐盤降低了壓電元件上的熱應力。
[0015]支撐盤優選具有小于1/8λ (λ)，優選小于1/16 λ的層厚度。沒有假定聲學適應函數，僅僅是關于耦合元件和適配層，相對于布置在其下面的層的熱平衡。熱墊片具有優選小于30ppm/K，特別地優選小于25ppm/K的熱膨脹系數。支撐盤應當優選具有平面設計，使得在底面平面與壓電元件平面之間不存在角度上的不對齊。在這種情況下，支撐盤的平面度優選小于1/16，優選小于1/32 λ。
[0016]壓電元件布置在遠離耦合元件的支撐盤頂端。可以直接布置在支撐盤上，其中在優選實施例中，支撐盤置于壓電元件中心，并且還確保壓電元件固定防止打滑。可替代地，耦合潤滑油或者類似的聲音傳送、液體耦合介質的層能夠補償壓電元件與支撐盤之間的不規則性，也可以施加在支撐盤與壓電元件之間。
[0017]支撐盤和底面與凹槽的外圍側一起劃定了空間，其中布置適配層從而匹配支撐盤與耦合元件之間的聲學阻抗；與之前已知的粘結層形成對比。在沒有對聲學阻抗的匹配的情況下，聲音能量進行非自由反射傳送，并且信號強度減少。阻抗變換由適配層完成，使得自由反射聲音傳送可以在限定頻率范圍內盡可能遠地執行。該適配層優選由硬化塑料材料制成，特別是鑄件化合物。其厚度可以優選是至少3/8λ (λ)，但是優選為λ/4，或者λ/4+η*λ/2的倍數，其中η為整數倍數。該關系與層厚度相關，層厚度與適配層材料內的聲學信號波長對應。
[0018]雖然薄的粘結層不能有效地匹配支撐盤與耦合元件的阻抗，但是現在本發明在支撐盤與底面之間提供了空間，其中引入適配層，適配層的聲學阻抗在支撐盤與底面的聲學阻抗之間。
[0019]本發明的其它優選實施例是從屬權利要求的主題。
[0020]如果適配層為λ/4適配層則是有利的。本領域技術人員比較熟悉這個術語。這個層厚度與適配層材料內超聲信號的四分之一波長對應，其中根據聲學帶寬要求，該層厚度也可以根據該值變化±25%。與典型的粘結層相比，其層厚小于3/8 λ。
[0021]如果耦合元件具有第二凹槽則是有利的，第二凹槽經由溢流通道與第一凹槽連接。該第二凹槽接受生產期間多余的鑄件化合物，例如在按壓支撐盤到粘性鑄件化合物的期間或者將鑄件化合物注入到底面與支撐盤之間的所述空間內的期間，其中該多余的鑄件化合物通過溢流通道側向傳送到第二凹槽。
[0022]有利的是一個停止件至少形成為單獨的條，外圍地伸入第一凹槽內。該條優選是周向的，并且用于將支撐盤定位在平行于第一凹槽底面的平面內。該條可以通過例如輥壓實現，從而減少制造時間。
[0023]尤其有利的是多個停止件形成為多個條，多個條外圍地伸入第一凹槽內，并且其停止表面在該平面內。關于該周向條，該優選實施例中為適配層提供更大的空間，從而可以更大程度上防止超聲信號在第一凹槽邊沿的周向反射。
[0024]該停止件可以優選形成為一個或多個墊片，其從第一凹槽的底面突出。該墊片優選防止支撐盤的中心變形。
[0025]因此，可以獲得最大平面度的支撐盤。如果停止件為耦合元件的集成部分則是有利的。因此鑄件層的平行度要盡可能高。這可以例如被輥壓。其它材料的阻抗影響也可以被有利避免。
[0026]條可以優選具有咬邊。這進一步增加了可用于適配層的空間。除此之外，鑄件化合物適配層的收縮性能改進并被克服。通過這種方式也可以進一步減小由溫度變化引起的應力。
[0027]沿超聲信號傳播方向，超聲換能器優選具有如下阻抗比:
Γ00281 7?>7?
乙Piezoelectric element*^ L Support disk*^ L Adaptat1n layer*^ L Coupling element
[0029]其中Z表示壓電元件(2，22)、支撐盤(4，24)、適配層(36)和耦合元件(3，23)的阻抗(單位為瑞利)。由于這些阻抗梯度，有利地阻止了部分超聲信號的反射。
[0030]除此之外，由于各個材料的熱膨脹系數在超聲信號傳播方向上存在梯度，超聲換能器對溫度影響更加不敏感。該期間，如下熱膨脹系數(ppm/κ)發生:
[0031 ]熱膨脹系數 PlezDeleetri。ele_t<熱膨脹系數 SuppOTt dlsk<熱膨脹系數 AdaptatlDn layCT<$
膨脹系數 Coupling element
[0032]特別地，適配層由聚合合成材料組成，在熱影響下會被聚合，并且在聚合的期間表現出比耦合元件的溫度相關收縮率大的收縮率，并且在聚合后表現出比耦合元件的溫度相關收縮率小的收縮率。
[0033]適配層優選由永久彈性材料組成，根據DIN53505，25 °C時的肖氏硬度為30-60。±5。ο根據DIN53512，在25°C的回彈性優選在20-40% (±5% )之間。
[0034]根據本發明，超聲換能器用于超聲流量計中，其根據運行時間差方法操作。為此，一種具有測量管的用于確定的測量介質的流速或體積流速的適當超聲流量計包括至少兩個根據權利要求2的沿著測量管布置的超聲換能器，其中每個超聲換能器包括接觸面，在該接觸面處所產生的超聲信號可以在測量管或測量介質中被傳送或者接收。
【附圖說明】
[0035]根據附屬的若干實施例，詳細解釋本發明的主題。所示為:
[0036]圖1:根據本發明的第一超聲換能器的截面圖；
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