用於製造具有嵌入式壓電轉換器元件的超聲波轉換器芯的方法

2023-07-23 19:36:46 3

用於製造具有嵌入式壓電轉換器元件的超聲波轉換器芯的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於製造超聲波轉換器芯(2)的方法，所述超聲波轉換器芯包括：至少一個壓電轉換器元件(4)；至少一個適應體(8)，所述適應體促進所述壓電轉換器(4)與周圍介質之間的振動耦合；至少一個溫度膨脹補償體(6)；所述方法具有以下步驟：將所述壓電轉換器元件(4)放入到成型模具中；將所述適應體放入到所述成型模具中；將模製質量引入到所述成型模具中，從而使所述模製質量與所述適應體(8)以及與所述壓電轉換器元件(4)實現力鎖合連接、化學鍵合和/或形狀鎖合連接；並且使所述模製質量硬化以構造所述溫度膨脹補償體(6)。此外，本發明涉及一種超聲波轉換器芯(2)，該超聲波轉換器芯特別根據所述方法製造。
【專利說明】用於製造具有嵌入式壓電轉換器元件的超聲波轉換器芯的 方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有根據權利要求1的前序部分所述的特徵的用於製造超聲波 轉換器芯的方法以及一種超聲波轉換器芯。

【背景技術】
[0002] 本發明涉及超聲波轉換器，超聲波轉換器例如在方法技術方面或者在汽車領域方 面（特別是內燃機的進氣和/或排氣裝置方面用於體積流測量或者質量流測量）作為流量 計使用；或者作為環境傳感器使用，特別是在車輛的保險槓的前部和/或後部中，例如用於 泊車輔助系統和/或防碰撞系統。在此使用典型的超聲波轉換器：所述超聲波轉換器不僅 能向流體介質（例如空氣、氣體和/或液體）中發射超聲波，而且能接收超聲波。在此，超聲 波信號通常通過流體介質從發射器傳遞至接收器或者從發射器傳遞到環境中並且檢測位 於環境中的物體反射的超聲波信號並且測量運行時間和/或運行時間差和/其它參量（例 如超聲波信號的振幅和相位）。
[0003] 許多已知的超聲波流量計的缺點在於：至少在氣體形式的介質的情況下在小的信 號行程中、也就是在運行時間變化很小的情況下，所述運行時間變化使得所述方法在流動 率很小的情況下經常非常容易漂移。這種缺陷也被稱為"零流量錯誤"。
[0004] 附加的困難是，由通常的超聲波發生器（例如壓電陶瓷）所產生的振動能量在耦 合到待測量的介質中時必須克服高的聲學阻抗差。因此，通常約99. 9995%的聲能量從壓電 陶瓷至空氣的路徑中在相對應的邊界面上被反射回來並且也不能用於測量。同樣的反射損 失再一次出現在接收的第二轉換器中，該第二轉換器也能與第一轉換器相同。
[0005] 為了改善壓電元件與待測量的流體之間的聲學耦合，通常採用用於適應阻抗的措 施，然而這已經強烈地限制對於超聲波轉換器設計的可能方案。因此，為了適應阻抗，例如 可以應用膜片，將通常很薄的壓電元件粘接到所述膜片上。然而，在這種情況下，轉換器的 諧振頻率與其說是通過壓電元件自己確定的，倒不如說是通過膜片確定的。
[0006] 已知其它類型的適應層，這些其它類型的適應層施加到壓電元件上。然而，根據已 知原理的空氣超聲波轉換器的大批量製造包含了耗費的且昂貴的過程步驟。尤其是在許多 情況下需要適應層的切削加工，該切削加工視材料種類而定會導致粗糙表面，該粗糙表面 使得聲學上有利薄的且可重現的粘接變得困難。即使在無需切削加工的情況下（例如以鑄 造/注射工藝）製造適應層時，也必須有單獨的粘接工藝。
[0007] 關於待使用的超聲波頻率和轉換器信號方面的其它限制對於已知的超聲波轉換 器由物理效應（如流體中聲場形成、吸收和擴散）得出。
[0008] 除了設計限制之外，由應用於汽車發動機的吸氣區域中的流動測量時常用的目標 公差可以得到這樣的要求：所述超聲波轉換器的振蕩的起振變化曲線至少在差分的運行時 間測量的意義中純機械地總是近似完全相同，更確切地說，具有例如單個機械振動的約為 1/1000的精度。在此，在機械式起振變化曲線中，除了轉換器基礎設計和轉換器幾何形狀之 夕卜，還著重涉及到內部材料特性和材料相互的連接。由此困難的是，在熱力學流動測量時實 現或者甚至改善常用的公差。
[0009] 也就是說，已知系統的缺點在於：這些系統通常強烈遭受設計方面的限制。此外， 已知超聲波轉換器的機械穩定性和信號質量以及功能公差在許多情況下具有進一步該善 的潛力，並且該製造是至少還是過於耗費且昂貴的。
[0010] 由DE 10 2007 010 500 A1已知一種超聲波轉換器，該超聲波轉換器具有直接嵌 入式壓電轉換器元件，在該超聲波轉換器中，具有至少一種聚合材料的適應層在液態的或 者可變形的狀態下與壓電轉換器元件相接觸並且硬化。將壓電轉換器元件直接嵌入到適應 層中的缺點是：壓電轉換器元件與適應體在熱膨脹係數方面有所區別，所述熱膨脹係數尤 其在冷卻和/或多次溫度交變時給超聲波轉換器芯帶來問題。例如，由聚合材料製成的適 應體具有如下特徵：比壓電陶瓷更強烈地膨脹並且也更強烈地回縮，並且因此產生不允許 的高的塑性的延展或應力，並且必要時可使適應體從壓電轉換器元件中突起。實際中，例如 可能確定適應體上的裂紋以及所述適應體與所述壓電轉換器元件之間的裂縫。這種裂縫可 能會導致所述超聲波傳感器上的徹底損壞，因為由於需要克服的大的聲學阻抗的原因幾乎 沒有可用於測量的信號。


【發明內容】

[0011] 根據本發明的第一方面，超聲波轉換器芯包括：至少一個壓電轉換器元件；至少 一個適應體，該適應體促進壓電轉換器元件與周圍介質之間的振動耦合。在此設置了，所述 超聲波轉換器芯具有至少一個溫度膨脹補償體，該溫度膨脹補償體與所述壓電轉換器元件 具有至少一個共同的邊界面並且與所述適應體具有至少一個共同的邊界面。
[0012] 因此，本發明提供一種超聲波轉換器，該超聲波轉換器應用於流體介質的流動測 量、特別是應用於機動車領域中的吸氣裝置中和/或排氣裝置中和/或廢氣回流裝置中和 /或內燃機的渦輪增壓器之後或者作為環境傳感器應用、尤其適用於車輛保險槓的前部和 /或後部中。本發明主要基於這樣的認識：已知系統關於已知系統的上述缺點方面的改善 能夠特別是通過超聲波轉換器內部的、特別是壓電元件與適應阻抗件之間的連接部位中的 經優化的結構和連接技術的改善來實現。
[0013] 在此，壓電轉換器元件的概念可以廣泛地理解並且包括例如電-聲轉換器，所述 電-聲轉換器根據靜電效應、磁致伸縮效應、壓電效應或者這些效應的組合來工作。在下文 中，壓電轉換器元件也縮寫為壓電元件。
[0014] 所述適應體具有至少一個適應層，所述適應層促進所述壓電轉換器元件與周圍流 體介質之間的振動耦合。所述適應層包括例如聚合材料，其中，聚合材料通過以下連接方 式之一與所述溫度膨脹補償體連接：力鎖合連接，其中，力鎖合通過所述溫度膨脹補償體造 成；形狀鎖合連接，其中，形狀鎖合通過所述溫度膨脹補償體造成；直接地（即沒有粘接材 料的介入）在溫度膨脹補償體的表面與適應體的表面之間黏著性和/或粘接性的連接。
[0015] 本發明的主要優點在於：所述適應體在與超聲波轉換器接合之後通過另一連接元 件或另一種連接材料構建了與壓電轉換器的連接。所述連接優選為機械穩定的並且由此改 善了超聲波信號到周圍流體介質（例如液體、氣體或者混合物）中的耦合。
[0016] 本發明的主要優點在於：適應體和壓電轉換器元件通過溫度膨脹補償體相互耦 合。特別優選的是，在應用於適應體的材料與應用於壓電轉換器元件的材料之間的熱膨脹 因數方面的差異對超聲波轉換器芯的耐久性造成很小的影響。由此，相較於之前，在給適應 體選擇適當的材料時能夠更多地考慮其它因數，尤其是適應體的可處理性、可製造性、導熱 性、可延展性、強度和耐受性，因為從現在起很多材料都適合應用到適應體中。
[0017] 特別的是，所述溫度膨脹補償體最小化了通過在熱膨脹因數方面的差異而形成的 拉應力和應變並且理想地避免了或者至少顯著地最小化了由溫度交變所導致的、適應體中 的裂紋或者適應體從壓電轉換器元件中突起。
[0018] 根據本發明的另一方面，提供一種用於製造超聲波轉換器芯的方法，所述超聲波 轉換器芯包括：至少一個壓電轉換器元件；至少一個適應體，該適應體促進壓電轉換器元 件與周圍介質之間的振動耦合；至少一個溫度膨脹補償體；所述方法包括了以下步驟：
[0019] -將壓電轉換器元件放入到成型模具中，
[0020] -將適應體放入到所述成型模具中，
[0021]-將模製質量引入到所述成型模具中，從而模製質量與適應體以及壓電轉換器元 件實現力鎖合連接、化學鍵合和/或形狀鎖合連接，
[0022] -使模製質量硬化以便構造溫度膨脹補償體。
[0023] 根據本發明的用於製造超聲波轉換器芯的方法，將壓電陶瓷和優選構造成固體的 適應體放入到成型模具（例如注塑模或者澆鑄模）中，並且藉助於模製質量（所述模製質 量在所述兩個構件之間注塑成注塑成型件或者澆鑄成澆鑄成型件）在單個工作過程中相 互連接。工作耗費且時間耗費地將壓電陶瓷粘接在保持部上（正如現有技術所已知）因此 不再需要。因此，減少了所需的、用於製造超聲波轉換器芯的工作步驟。特別的是，因此能 夠節省了安裝時間並且能夠降低加工這種超聲波轉換器芯的費用。
[0024] 此外，通過取消了粘接能夠如此設計壓電元件與適應層之間的連接，使得一方面 形成良好的聲學耦合，並且另一方面得出壓電元件的小程度的老化，所述老化尤其通過連 接部位上的高熱負載和相應的機械式夾緊所導致。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 本發明的實施例在附圖中示出，並且在以下描述中進一步說明。其示出：
[0026] 圖1 :公知的超聲波轉換器的俯視圖，該超聲波轉換器具有粘接的壓電轉換器元 件；
[0027] 圖2 :圖1中的超聲波轉換器的剖視圖；
[0028] 圖3 :根據本發明的超聲波轉換器的實施例的俯視圖，該超聲波轉換器
[0029] 具有部分嵌入式壓電轉換器元件；
[0030] 圖4 :根據圖3的實施例的側面剖視圖；
[0031] 圖5 :根據本發明的超聲波轉換器的另一實施例，該超聲波轉換器具有完全嵌入 式壓電轉換器元件；
[0032] 圖6 :根據圖5的實施例的側面剖視圖。

【具體實施方式】
[0033] 在圖1和圖2中示出的超聲波轉換器2包括壓電轉換器元件4和適應體8。在適 應體8與壓電元件4之間引入粘接層10。
[0034] 作為初級電子-機械轉換原理，在超聲波轉換器2中利用例如靜電效應、磁致伸縮 效應、或者壓電效應。在壓電陶瓷作為初級轉換器元件的情況下得出不同的諧振振動模態， 視幾何形狀而定，這些諧振振動模態或多或少地突顯，或者這些諧振振動模態相互不同地 耦合或解耦。在幾何形狀為簡單的方形或者柱形的情況下，首先可以得出以下振動模態，所 述振動模態全部至少原理上可以應用於超聲波轉換：
[0035] -薄壓電片的厚度振動，其中，特別是當壓電片的直徑大於該壓電片厚度的十倍 時，則出現該振動模態的純粹突顯；
[0036] -薄壓電片的平面振動，其中，特別是當壓電片的直徑大於該壓電片厚度的十倍 時，則出現該振動模態的純粹突顯；
[0037] -壓電柱的縱向方向上的縱向振動，其中，特別是當壓電柱的直徑小於該壓電柱的 長度除以2. 5時，則出現該振動模態的純粹突顯；
[0038] -剪切振動，其中，特別是當壓電片在一個維度上的邊長大於該壓電片的厚度或寬 度的3. 5倍時，則出現該振動模態的純粹突顯；
[0039] -橫向方向上的縱向振動，其中，特別是當壓電片的厚度或寬度小於邊長除以5 時，則出現該振動模態的純粹突顯。
[0040] 對於單個振動形式存在相應不同的、與材料相關的頻率常數，由所述頻率常數例 如可以對於平面振動片計算出諧振頻率f = Np/D，其中，D表示厚度，並且Np處於2000Hzm 的數量級。對於寬頻的空氣超聲波轉換器，特別是考慮具有低機械品質Qm的"軟"陶瓷作為 壓電材料，其中，數量級可以大約為Qm = 70,因為在該情況下可以實現較短的起振和衰減， 並且相對於空氣的阻抗差已經稍微減小。另一方面，需要儘可能大的機電耦合。對於在汽 車領域內的超聲波轉換器應特別是對於發動機安裝條件來說需要儘可能高的居裡溫度。常 用的、具有所述特性的陶瓷等級為例如所謂的"Navy Type II"-等級、例如PZT5A-陶瓷或 者根據EN 50324-1 Typ 200的陶瓷。
[0041] 與所提到的幾何比例（所述幾何比例在單個壓電元件4中導致上述的純粹振動形 式）不同的是，在整個轉換器複合體中，其它幾何形狀可以是有利的。
[0042] 為了改善所述壓電元件4與流體介質之間的聲學耦合，應用了用於適應阻抗的措 施，這可以用"適應層"8標示。與壓電陶瓷相比，氣體特別是具有非常低的聲學阻抗，從而 (如上述地）在壓電元件中產生的振動在壓電元件/氣體的邊界面上反射回到壓電元件中。 [0043] 此外，根據現有技術所已知兩種不同的用於適應阻抗的基本方法。第一種方案在 於，應用膜片作為元件8用於適應，大部分的薄的壓電元件4粘接到該膜片上。這種方案例 如在壓電蜂音器或者在揚聲器或者在立體寬輻射的距離傳感器中應用。然而，在這種情況 下，諧振頻率與其說是通過壓電元件4自己確定的，倒不如說是通過膜片確定的。然而，以 壓電典型的大的力所造成的壓電元件4的已經稍微徑向膨脹或輕微撓曲導致了強烈的膜 片撓曲，所述強烈的膜片撓曲雖然不能夠施加大的力，但是很好地排擠掉較輕的氣體分子， 從而得出超聲波到氣體中的非常有效地耦合。
[0044] 在另一個已知的方案（該方案同樣可以應用到本發明中）中，在壓電元件4與流 體介質之間使用了所謂" λ/4-適應層"作為元件8。對於平面單譜波的理論理想情況，如 果適應層材料8的聲學阻抗Z = c*P (其中，c表示音速，Ρ表示密度）為壓電元件和氣體 的阻抗的幾何平均值，並且在此適應層的厚度相應於超聲波在適應層8中的四分之一波長 (λ/4)，則壓電元件的能量100%傳遞到氣體中。對於以（即具有典型的壓電陶瓷的）壓電 元件4、作為待測量介質的空氣、固體中的典型音速為基礎的空氣超聲波轉換器2,然而對 於適應層8的密度D在很多情況下得出不現實的低值，所述低值大多可以僅利用小程度耐 用的材料來實現。
[0045] 然而，即使未完全實現阻抗適應，利用實際的且耐用的材料仍然能實現傳輸性能 的改善。例如，為此使用具有混合式玻璃空心球的環氧樹脂或聚酯樹脂，所述玻璃空心球降 低了密度Ρ。不同於純計算出的λ/4-層厚地，可以有利的是：例如用於由於機械/聲學 負載來補償所述壓電元件4的頻率延遲，用於補償平面波的條件的偏差、或者用於影響所 述超聲波轉換器2的傳輸-帶寬。
[0046] 另一種幾何變體同樣是已知的，例如比壓電元件4寬的適應層8、構造成罐狀的適 應層8、在輻射表面上具有纖維或者類似變體的適應層8。為此目的，所述幾何變體（這些 幾何變體同樣能在本發明的框架中應用）大多數具有超聲波轉換器2的經優化的振動特性 或者輻射特性。在特別的應用中（在所述應用中涉及到例如非常高效或者非常寬帶的超聲 波耦合），使用了此外具有不同聲阻抗的大量相互重疊的適應層8的超聲波轉換器2,這在 本發明的範圍內同樣可能。
[0047] 除了具有沿著厚度方向振動的壓電元件4和構造成λ /4-層的適應層8的類似的 轉換器幾何形狀之外，同樣已知平面-諧振結合λ /4-適應層的應用並且可以在本發明的 範圍得到應用。在這種情況下，不僅平面振動部分而且厚度振動部分都耦合到適應層8中， 所述厚度振動部分由壓電元件4的橫向收縮產生。通過所述方法在固定的預設超聲波頻率 的情況下明顯地降低了壓電元件的厚度，因為所述尺寸不再是初始地確定頻率。
[0048] 根據現有技術，適應阻抗層8在空氣超聲波轉換器2中單獨製成。通常的是，為此 還應用了以玻璃空心球填充的環氧樹脂或聚酯樹脂，所述環氧樹脂或聚酯樹脂導入到模具 中並且硬化。於是，在壓電元件4以單獨施加的粘接材料10粘上之前，通過隨後的切削加 工實現期望的細節幾何形狀。
[0049] 此外，在圖2中示出的超聲波轉換器芯還包括例如溫度膨脹補償體6,並且通過以 下步驟完成：
[0050] -將適應體8放入到成型模具中，
[0051] -同時將適應體8澆鑄或者注塑、或者在所述澆鑄或者注塑之後進行溫度膨脹補 償體6的成型，
[0052] -將粘接材料10分布在已成型的溫度膨脹補償體6上，
[0053] -將壓電元件4安置到粘接材料10上，並且
[0054] -將組件在定義的壓力的情況下在硬化爐中進行約1小時的硬化。
[0055] 在壓電元件4安置到粘接劑10上的情況下，所述壓電元件4以陷入深度11陷入到 所述粘接材料10中。其缺點尤其是：所述壓電元件4在安置於粘接材料10上之後，在硬化 之前並且在硬化期間可能會從中心位置14移開。一方面產生的可能性是：粘接劑10沒有置 於溫度膨脹補償體6上的中心處，從而粘接材料10的對置的安裝稜邊（Ansatzkanten) 12、 13不同程度地與溫度膨脹補償體6的邊緣9間隔開。另一方面，容易導致的是：壓電元件 4在仍未硬化的粘接材料10中移開，從而壓電元件4的對置的稜邊16、17可能會在粘接材 料10中不同程度地與粘接材料10的安裝稜邊12、13間隔開。
[0056] 此外，作為壓電元件4與適應層8之間的連接，粘接材料10在由聲學要求和機械/ 熱學要求組成的組合要求方面特別臨界。這個問題可以通過本發明的措施緩和，其方式是： 不使用單獨的粘接材料。
[0057] 圖3示出了根據本發明的超聲波轉換器2的實施例的俯視圖，所述超聲波轉換器 具有部分嵌入到熱力學的適應體6中的壓電轉換器元件4。通過根據本發明的製造方法確 保了：壓電元件4在溫度膨脹補償體6的中心14處設置，特別是在附圖中不可見的適應體 8的中心14處。
[0058] 圖4示出了根據圖3的實施方式的側面剖視圖。在壓電元件4與適應體8之間引 入了溫度膨脹補償體6。溫度膨脹補償體6具有與壓電轉換器元件4的第一邊界面50和與 適應體8的第二邊界面51。因此，溫度膨脹補償體6適合於在溫度變化時補償所述壓電轉 換器元件4與所述適應體8之間的相應的機械張力。壓電元件4相對於溫度膨脹補償體6 的邊緣9具有基本上統一的間距。
[0059] 所述超聲波-轉換器芯2例如通過以下步驟製造：
[0060]-將壓電轉換器元件4放入到成型模具中，
[0061] -將適應體8放入到所述成型模具中，
[0062] -將模製質量引入到所述成型模具中，從而模製質量與適應體8以及與壓電轉換 器元件4實現力鎖合連接、化學鍵合和/或形狀鎖合連接，和
[0063] -使模製質量硬化以便構造所述溫度膨脹補償體6。
[0064] 壓電轉換器元件4如此成型到溫度膨脹補償體上，使得壓電轉換器元件4的1 %至 99%、優選5%至50%、特別優選10%至30%沉入到溫度膨脹補償體6中。壓電元件4的 嵌入深度30如此設計，使得滿足使用壽命（即連接的強度）和期望的聲波振幅的要求。在 嵌入深度30較小的情況下實現了高的聲波振幅。在嵌入深度30較大的情況下提高了連接 的強度。優選的是，嵌入深度30根據不同情況（Spezifikation)來確定。10%至30%的嵌 入深度在實際中為使用壽命和聲波振幅的最佳折中方案。也就是說，根據實施形式可以設 置具有彎月形的、淺的嵌入部（例如為壓電元件4的片厚B的1%、10%或20%)直至具有 彎月形的、深的嵌入部（最高達到壓電元件4的片厚B的50%至99%，特別為80% )。優 選的是這樣的嵌入深度30 :在所述嵌入深度的情況下，超聲波-轉換器芯2的振幅至少與 已知技術中的經粘接的超聲波轉換器芯的振幅一樣高。由於能夠補償所述壓電轉換器元件 4與所述適應體8之間的機械張力的能力，超聲波-轉換器芯2的特徵在於特別是在溫度交 變時的耐熱性。
[0065] 優選的是，所述模製質量以柱形的藥片形式連同另一內置件（即壓電元件4和適 應體8)共同放入到具有成型模具的成型機中。將所述成型模具加熱並且熔化所述模製質 量。所述模製質量通過壓模擠壓成型。在所述模製質量部分交聯之後，使這些部件脫模並 且緊接著在爐烘過程中完全交聯。
[0066] 在圖5和圖6中示出了另一實施例，該實施例具有完全嵌入到溫度膨脹補償體6 中的壓電轉換器元件4。在這種情況下，壓電轉換器元件4如此成型到所述溫度膨脹補償 體6中，使得壓電轉換器元件4的背離於適應體8的側53與溫度膨脹補償體6的表面55 齊平。通過根據本發明的製造方法又確保了壓電元件4設置在超聲波-轉換器芯2的中心 14、特別是設置在適應體8的中心14。如側面剖視圖所示：溫度膨脹補償體6引入到壓電 轉換器元件4與適應體8之間並且相應具有與壓電轉換器元件4以及與適應體8的邊界面 50、51。在此，壓電元件4在其整個厚度32上被溫度膨脹補償體6包圍。
[0067] 所示出的壓電轉換器元件4具有柱形的壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片具有片直徑 A和片厚B。優選的是，例如對於內燃機的進氣系統和/或廢氣系統、或廢氣回流系統內的 流量測量，壓電元件4具有大約5mm至大約20mm之間的直徑A。典型且優選的厚度B處於 0. 08*A至0. 7*A之間。然而也可以應用其它壓電幾何形狀以及其它類型的壓電元件、例如 PZT-Composites 或 PZT-Stacks〇
[0068] 數量級〈大約500kHz的較低頻率更適合於空氣超聲波的應用，因為隨著頻率的增 加和/或空氣溼度的增加，聲波在空氣中的吸收也會提高。相反，儘可能高的頻率更適合於 時間測量精度要求高的應用。另一方面要注意的是，在流量-測量範圍較大的情況下，在多 個超聲波周期上會出現時間上的延遲。因此，在超聲波轉換器2的帶寬被限制的情況下，所 述頻率僅應如此高，使得階段測量或者過零測量仍可以明確地配屬於正確的超聲波振動周 期。此外，應遵守相對于振動負荷和固體聲-幹擾源的足夠的頻率間隔，所述振動負荷和固 體聲-幹擾源通常處於低頻範圍內。
[0069] 總體而言，對於機動車領域內的內燃機中的吸入空氣的流量測量，大約100kHz至 大約400kHz的頻率範圍表現為有意義的折中方案。特別是，視分析處理方法和測量幾何形 狀而定，受限的範圍（例如在170kHz至250kHz之間）特別有利。然而，對於其它的應用， 本發明原則上也可以轉用到其它頻率範圍。這種頻率範圍可以利用不同的壓電材料（例如 PZT-陶瓷或者其它陶瓷式壓電材料）實現。
[0070] 為了利用壓電陶瓷來產生上述目標範圍內的頻率，原理上可以考慮上述的幾何形 狀和振動模態。如果同時期望所述超聲波轉換器2的大的孔徑，則優選如此選擇直徑A，使 得所期望的超聲波頻率近似於純粹壓電元件4的徑向-諧振或者平面振動。優選如此選擇 厚度B，使得一方面不會出現不同振動模態的不利耦合，並且另一方面陶瓷不會由於與施加 的用於適應阻抗的適應層8的熱力學張力而形成過強烈的撓曲。
[0071] 有意義的是，適應層8優選地具有類似於壓電元件4的直徑C。在此，證明行之有 效的是被選擇得比壓電元件4的直徑稍大的直徑。適應層的厚度D優選地根據適應層8的 材料中的聲速而調節到大約為超聲波的波長的四分之一。
[0072] 通過適應層8耦合到壓電元件4上，使得超聲波轉換器2的實際諧振頻率變化，從 而需將適應層8的厚度D調節到相應位移的波長。如果應優化例如超聲波振幅、超聲波帶 寬或者相應的振動變化曲線，則厚度D的進一步精密適應是有意義的。適應層8的材料如 此選擇，使得有利於壓電元件4與流體介質（例如空氣）之間的振動耦合。為此，不需要太 高的自衰減以及適當的聲阻抗。聲阻抗不必強制性地處於壓電陶瓷阻抗與空氣阻抗之間的 幾何平均。在有利的轉換器帶寬的情況下，通過例如〇. 5MRayl至1. 5MRayl範圍內的阻抗 能夠實現可用的振幅。
[0073] 適應體8優選由耐高溫的塑料、尤其由高性能熱塑性材料、特別優選由聚醚醯亞 胺（PEI)製成。優選的是，應用具有小密度的經燒結的材料、尤其是經燒結的PEI、例如可以 作為Vespel?得到。
[0074] 溫度膨脹補償體6優選由熱塑性的或者由熱固塑性模製質量或者澆鑄質量或者 由所謂的熱熔膠製成。關鍵的是，模製質量可以在液態的或者可變形的狀態下在成型模具 (例如注塑模或者澆鑄模）中成型。優選的是，模製質量包括具有約80%的玻璃纖維份額 的環氧樹脂基熱固性質量。
[0075] 此外，還可以給根據本發明的超聲波轉換器2通過電極和引線配備所述壓電元件 4的電接觸部，該電接觸部未在圖中示出。現有技術是壓電錶面上各種各樣形式的電極。在 柱狀壓電陶瓷的情況下，通常使兩個平的面金屬化（例如藉助於厚層膏或者藉助於經噴鍍 的薄層），其中，也可以是許多技術的組合。對於單側接觸也可以應用纏繞電極，該纏繞電極 在可從商業上得到的壓電元件4的多個實施方案中已知。作為接觸接通方法，大多數為熔 焊、導電粘接或者熱壓熔焊。替代地，可以以預應力將導電的接口元件壓到壓電元件上，其 中，例如可以通過斂縫、彈簧或者螺旋件來實現按壓。
[0076] 同樣存在這樣的壓電陶瓷：該壓電陶瓷雖然被電極化，然而自身不具有電極。在這 種情況下，單獨的電極、例如金屬箔、金屬薄板、金屬環、金屬網或者類似元件或者這些元件 的組合（所述元件可以已經是其它接觸部的部分）例如藉助於預緊、藉助於粘接材料或者 藉助於導電膠或者這些技術的組合來施加到壓電元件的表面上。
[0077] 除了在圖中示出的元件之外，超聲波轉換器2根據本發明還可以包括其它在圖中 未示出的元件。因此特別優選的是，設置減振元件，藉助於所述減振元件可以對壓電元件的 振動進行減振。例如，為了這個目的，可以在背側上（即在背向所述適應體8的側上）和/ 或也可以在其它部位上（例如在圓周側至少部分包圍所述壓電元件與壓電元件4接觸地） 設置一減振元件。所述減振元件（這也常稱為"襯墊"）例如能夠與此相應地構造成減振層 和/或構造成減振澆鑄件和/或構造成單獨的減振元件。作為材料可以考慮例如矽酮形式 的材料以及其它減振材料（例如熔膠）。也可以包括填充材料（例如玻璃空心球、塑料球、 塑料空心球、玻璃粉或者類似填充材料或者這些填充材料的混合體），所述填充材料特別是 能夠將聲轉換為熱。
【權利要求】
1. 一種用於製造超聲波轉換器芯（2)的方法，所述超聲波轉換器芯包括：至少一個壓 電轉換器元件（4);至少一個適應體（8)，所述適應體促進所述壓電轉換器（4)與周圍介質 之間的振動耦合；至少一個溫度膨脹補償體（6);所述方法具有以下步驟： -將所述壓電轉換器元件（4)放入到成型模具中； -將所述適應體（8)放入到所述成型模具中； -將模製質量引入到所述成型模具中，從而使所述模製質量與所述適應體（8)以及與 所述壓電轉換器元件（4)實現力鎖合連接、化學鍵合和/或形狀鎖合連接；並且 -使所述模製質量硬化以構造所述溫度膨脹補償體（6)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述壓電轉換器元件（4)如此成型到所述 溫度膨脹補償體（6)上，使得10%至30%之間的所述壓電轉器元件（4)沉入到所述溫度膨 脹補償體（6)中。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述壓電轉換器元件（4)成型到所述溫度 膨脹補償體（6)中，從而所述壓電轉換器元件（4)的背離所述適應體（8)的側（53)與所述 溫度膨脹補償體￠)的表面（55)齊平。
4. 根據以上權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述適應體（8)在放入到所 述成型模具中時為固體。
5. -種超聲波轉換器芯（2)，其特別是根據權利要求1至4中任一項所述的方法製造， 其包括：至少一個壓電轉換器元件（4);至少一個適應體（8)，所述適應體促進所述壓電轉 換器元件（4)與周圍介質之間的振動耦合；其特徵在於，所述超聲波轉換器芯（4)具有至少 一個溫度膨脹補償體（6)，所述溫度膨脹補償體與所述壓電轉換器元件（4)具有至少一個 共同的邊界面（50)並且與所述適應體（8)具有至少一個共同的邊界面（51)。
6. 根據權利要求5所述的超聲波轉換器芯（2)，其特徵在於，所述溫度膨脹補償體（6) 由熱固性的模製質量製成。
7. 根據權利要求5或6中所述的超聲波轉換器芯（2)，其特徵在於，所述適應體（8)由 耐高溫塑料製成。
8. 根據權利要求5至7中任一項所述的超聲波轉換器芯（2)，其特徵在於，所述適應體 (8)由高性能熱塑性材料製成。
9. 根據權利要求5至8中任一項所述的超聲波轉換器芯（2)，其特徵在於，所述適應體 (8)由聚醚醯亞胺製成。
10. 根據權利要求5至9中任一項所述的超聲波轉換器芯（2)，其特徵在於，所述適應 體（8)由經燒結的材料製成。
【文檔編號】G01F1/66GK104285132SQ201380025069
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年3月25日 優先權日:2012年5月16日
【發明者】J·瓦爾特, H·勞施 申請人:羅伯特·博世有限公司