本發(fā)明涉及一種超聲換能器，包括壓電元件、聲窗、殼體和聲耦合層，其中聲耦合層被布置在聲窗和壓電元件的第一表面之間。

背景技術(shù)：

超聲換能器用于產(chǎn)生或接收超聲信號。為此，超聲換能器包括用于從介質(zhì)傳輸超聲信號以及將超聲信號聲傳輸?shù)浇橘|(zhì)的聲窗。聲窗通常由金屬或塑料構(gòu)成，這取決于應(yīng)該被測量的介質(zhì)。金屬聲窗可以優(yōu)選用于研磨介質(zhì)。

在許多情況下，超聲換能器包括為壓電元件形式的有源振動元件，以將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘?，反之亦然。為了確保超聲信號從聲窗有效地傳輸?shù)綁弘娫?，通常在壓電元件和聲窗之間布置聲耦合層。然而，重要的是控制聲耦合層的厚度，以確保超聲換能器的高聲學(xué)效率、低噪音和高壽命。然而，控制聲耦合層的厚度難以根據(jù)用于聲耦合層的材料，特別是在使用流體或容易塑性變形的材料的情況下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種上述類型的超聲換能器和一種用于制造所述超聲換能器的方法，其中聲耦合層的厚度可以被更準(zhǔn)確地控制。

根據(jù)本發(fā)明，上述任務(wù)被解決，這是由于壓電元件在壓電元件的與聲耦合層相反的第二表面處固定到殼體，并且其中殼體鄰接聲窗，以在壓電元件的靜止位置處確保在第一表面與聲窗之間的聲耦合層的恒定厚度。

通過該技術(shù)方案，壓電元件可以僅在壓電元件的與聲耦合層相反的第二表面處被固定到殼體。因此，確保了壓電元件仍然可以在超聲換能器的操作期間變形。此外，固定壓電元件的殼體鄰接聲窗，以在壓電元件的靜止位置處確保在壓電元件的第一表面與聲窗之間的聲耦合層的恒定厚度。這樣，確保了壓電元件例如在裝配器件由于其自身重量不會使聲耦合層移位。具體地，后者在聲耦合層是流體或者聲耦合層由需要在超聲換能器的制造期間固化的粘合劑制成的情況下成為問題。在聲耦合層的固化期間，壓電元件的重量可能另外導(dǎo)致聲耦合層變薄到低于預(yù)期厚度。由于殼體現(xiàn)在鄰接聲窗，因此可以確保為在壓電元件的第一表面和聲窗之間的聲耦合層留有足夠的空間且壓電元件不會使聲耦合層移位。

在一個優(yōu)選實施例中，殼體和/或聲窗包括距離控制部。優(yōu)選地，距離控制部的厚度為壓電元件的厚度和聲耦合層的預(yù)期厚度的總和。距離控制部的厚度由第二表面至殼體與聲窗的鄰接區(qū)域的垂直距離給出。

在一個另外優(yōu)選實施例中，距離控制部包括至少一個腿部。優(yōu)選地，距離控制部包括兩個、三個或四個腿部?？蛇x地，距離控制部可以包括環(huán)形緣部。腿部或緣部之間可以布置孔口，壓電元件以及聲耦合層可以布置在所述孔口中。聲窗可以鄰接在腿部或緣部以及聲耦合層上。如果距離控制部包括緣部，則聲窗可以是連接到緣部的平坦盤。

在另一個優(yōu)選實施例中，距離控制部包括連接到第二表面的至少一個肩部。至少一個肩部可以布置在腿部或有角緣部中。肩部允許例如在第二表面的徑向外端部處將壓電元件的第二表面連接到殼體。同時，距離控制部可以延伸超出壓電元件的徑向外端部，使得距離控制部延伸超出壓電元件的厚度和聲耦合層的厚度。這樣就確保了殼體將鄰接聲窗，以使得在裝配期間保持壓電元件的第一表面和聲窗之間的正確距離并因此聲耦合層可以在裝配期間保持其預(yù)期厚度。

在一個另外的優(yōu)選實施例中，聲耦合層包括粘合劑和/或糊劑和/或油。根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器具有的優(yōu)點是：即使流體或液體材料被用于聲耦合層也可以控制聲耦合層的厚度，否則所述厚度在裝配期間或者在聲換能器的操作期間由于壓電元件的影響而變得更薄。

在另一個優(yōu)選實施例中，聲窗被布置在杯形構(gòu)件的平坦底部中。由于聲窗可以例如通過杯形構(gòu)件的外壁卡合連接到殼體而容易地連接到殼體，因此該技術(shù)方案簡化了超聲換能器的裝配。

在又一個優(yōu)選實施例中，壓電元件具有圓柱形形狀，并且壓電元件僅在第二表面的徑向外端部處連接到殼體。這樣，確保了壓電元件在操作器件在超聲換能器內(nèi)仍具有足夠的空間來變形。在第二表面的徑向外端部處連接到殼體僅部分地限制壓電元件的變形。

上述任務(wù)還通過根據(jù)上述實施例中的任一個的包括超聲換能器的超聲能量計來解決。超聲能量計中的超聲換能器在這種情況下可以例如用于測量冷卻或加熱回路中的制冷劑或加熱流體的熱能量。在這種情況下，超聲能量計為冷卻計或熱量計。

上述任務(wù)還通過根據(jù)超聲換能器的上述實施例中任一個的包括超聲換能器的超聲流量計來解決。超聲流量計例如可以用于測量加熱或冷卻流體的流量。

上述任務(wù)還通過用于制造超聲換能器的方法來解決，所述超聲換能器包括壓電元件、聲窗、殼體和聲耦合層，所述方法包括以下步驟：

在壓電元件的第二表面處將壓電元件固定到殼體；

將聲耦合層施加到壓電元件的與第二表面相反的第一表面，或者將聲耦合層施加到聲窗；和

將聲窗連接到殼體，使得殼體鄰接聲窗以在壓電元件的靜止位置處確保在第一表面與聲窗之間的聲耦合層的恒定厚度。

通過這種制造方法，壓電元件首先在壓電元件的第二表面處固定到殼體。這樣，壓電元件相對于殼體的位置被固定。接著，聲耦合層被施加到壓電元件的與第二表面相反的第一表面。然后，聲窗被連接到殼體，使得殼體鄰接聲窗，以在壓電元件的靜止位置處確保在第一表面與聲窗之間的聲耦合層的恒定厚度。壓電元件的靜止位置表示超聲信號既沒有到達壓電元件和變形且也沒有將電壓施加到壓電元件以使壓電元件變形并產(chǎn)生超聲信號的位置。通過首先在與布置聲耦合層的第一表面相反的第二表面處將壓電元件連接到殼體，可以確保壓電元件將不會不利地影響聲耦合層的預(yù)期厚度。具體地，壓電元件的重量例如在聲耦合層的固化期間(在粘合劑用于聲耦合層的情況下)不會導(dǎo)致聲耦合層變薄。

在一個另外的優(yōu)選實施例中，壓電元件通過粘合劑和/或卡合連接固定到殼體。在使用粘合劑的情況下，需要確保壓電元件在粘合劑的固化期間不能移位或者需要等待直到施加聲耦合層之前固化粘合劑為止。

在另一個優(yōu)選實施例中，壓電元件被保持在第二表面向下的位置，直到殼體的粘合劑連接已經(jīng)固化為止。這樣可以在壓電元件至殼體的粘合劑連接被固化之前將聲耦合層施加到壓電元件的第一表面。這會加固制造方法并因此減少成本。

附圖說明

本發(fā)明的優(yōu)選實施例現(xiàn)在參照附圖來說明，其中：

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器的一個優(yōu)選實施例。

具體實施方式

圖1顯示了超聲換能器1，所述超聲換能器包括為蓋形式的殼體2。壓電元件4被布置在殼體2的孔口14中。聲耦合層5布置在壓電元件4的第一表面8處。聲耦合層5被布置在第一表面8和聲窗9之間。聲窗9在本實施例中是罐狀構(gòu)件3的一部分。在這種情況下，罐狀構(gòu)件3由金屬制成以改進超聲信號從介質(zhì)到壓電元件的傳輸，反之亦然。類似地，聲耦合層5確保超聲信號從壓電元件4可靠地傳輸和傳輸?shù)剿鰤弘娫?。在現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)下，聲耦合層5的厚度是難以控制，這是因為一方面所述聲耦合層通常由流體(例如，油)或者至少可塑性變形的材料(糊劑或粘合劑)制成。另一方面，由于壓電元件4需要能夠進行彈性變形以轉(zhuǎn)換超聲信號，因此所述壓電元件不能被包封在外殼2中。因此，壓電元件4的重量在一些情況下在聲耦合層5上造成壓力，由此聲耦合層5變薄且聲換能器的效率因此被減小。

然而，根據(jù)本發(fā)明，聲耦合層5的厚度現(xiàn)在可以被適當(dāng)?shù)乜刂啤榇?，壓電元?在壓電元件4的第二表面11處固定到殼體2。為了允許壓電元件4在操作期間發(fā)生彈性變形，第二表面11和殼體2之間的連接優(yōu)選地僅形成在第二表面11的徑向外端12處。在此實施例中，所述連接形成在殼體2的四個肩部7處。肩部7布置在距離控制部6中，在這種情況下，所述距離控制部形成為殼體2的腿部。在本實施例中，四個腿部10圍繞壓電元件4周向地布置。這樣，壓電元件4仍具有足夠的空間以在殼體2的孔口14內(nèi)進行彈性變形。

距離控制部6可以可選地形成為周向緣部，其中壓電元件4在第二表面11的徑向外端12處可以固定到所述周向緣部。

距離控制部6應(yīng)該確保壓電元件4的第二表面11和聲窗9之間的垂直距離對應(yīng)于壓電元件4的厚度和聲耦合層5的預(yù)期厚度的總和。殼體2鄰接聲窗9，以在壓電元件4的靜止位置處確保在第一表面8和聲窗9之間的聲耦合層5的恒定厚度。壓電元件4的靜止位置在此表示壓電元件4不會由于接收超聲信號或者由于施加到壓電元件的電壓而變形的位置。壓電元件4通過連接引線13連接，所述連接引線允許將電信號傳輸?shù)綒んw2外或者傳輸?shù)綒んw2中。優(yōu)選地，連接引線13可彈性變形，以允許壓電元件4在操作期間變形而不會損失連接。

壓電元件4和殼體2之間的連接可以通過粘合劑或夾持或鎖定連接進行。在使用粘合劑的情況下，蓋優(yōu)選地放置在顛倒位置，使得第二表面11指向下且聲耦合層5可以在粘合劑被完全固化之前施加到第一表面8。然后，聲窗9被連接到聲耦合層5和殼體2。聲窗9和殼體2之間的連接可以通過粘合劑、夾持或鎖定連接或者類似形式來進行。