(19)
(11) EP 0 858 844 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
19.08.1998  Patentblatt  1998/34

(21) Anmeldenummer: 98102214.8

(22) Anmeldetag:  09.02.1998
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)6B06B 1/06
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL LT LV MK RO SI

(30) Priorität: 12.02.1997 DE 19705321

(71) Anmelder: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Kroh, Jürgen
    90518 Altdorf (DE)
  • Burkhard, Stephan, Dr.
    91056 Erlangen (DE)
  • Greppmaier, Paul
    90475 Nürnberg (DE)

   


(54) Schallkopf


(57) Um bei einem Schallkopf (1), insbesondere einem Ultraschallkopf, mit in einem Gehäuse (2), einem Innensystem (3), das aus einem bodenseitig angeordneten und mit einer Anschlußfahne (8) verbundenen Piezoelement (4) sowie aus einem darüberliegendem Dämpfungskörper (10) aufgebaut ist, eine besonders einfache Montage zu erzielen, ist das Innensystem (3) mittels eines arretierbaren Sicherungselements (15) im Gehäuse (2) eingespannt. Das Piezoelement (4) ist mit der Anschlußfahne (8) und dem Gehäuse (2) elektrisch leitend verklebt.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallkopf, insbesondere auf einen Ultraschallkopf, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Piezoelement.

[0002] Ein gedämpfter Ultraschallgeber ist z.B. aus der US 4,417,480 bekannt. Ein derartiger Ultraschallsender und/oder Ultraschallempfänger dient z.B. zur Messung des Durchflusses und der Geschwindigkeit eines Strömungsmediums mit Hilfe von Schallwellen, die von einem Piezoelement erzeugt bzw. detektiert werden. Der zur Schallwellenerzeugung oder Schallwellenmessung dienende Schallkopf umfaßt üblicherweise ein auf einer Seite geschlossenes und auf der gegenüberliegenden Seite offenes metallisches und zylindrisch geformtes Gehäuse. Dieses dient als Aufnahmeteil für einen piezoelektrischen Sender/Empfänger aus üblicherweise keramischem Material.

[0003] Zur Bedämpfung von Eigenschwingungen des Piezoelements ist auf dessen der Bodenseite des Gehäuses abgewandten Seite ein Dämpfungsmittel vorgesehen, das Schallenergie vom Piezoelement absorbiert. Dazu wird das Dämpfungsmittel mittels eines Schraubverschluß gegen das Piezoelement verpreßt, wobei der Schraubverschluß mit einem an der Öffnungsseite des Gehäuses vorgesehenen Innengewinde in Gewindeeingriff gebracht wird. Ein zentral durch den Schraubverschluß und durch das Dämpfungsmittel geführter isolierter Leiter wird als Signalanschluß mit einer Anschlußseite des Piezoelements kontaktiert. Nachteilig bei diesem bekannten Schallkopf ist jedoch ein erheblicher Montageaufwand beim Zusammenfügen der innerhalb des Gehäuses anzuordnenden Einzelteile sowie eine materialintensive Ausführung des Schallkopfgehäuses. Darüber hinaus ist die aus dem Piezoelement und aus dem Dämpfungsmittel sowie aus zusätzlichen Federelementen und aus dem Schraubverschluß zusammengesetzte Innenstruktur des Schallkopfes besonders aufwendig und kostenintensiv.

[0004] Aus der US 3 890 423 ist ein Schallkopf bekannt, bei dem das Piezoelement lose in seinem Gehäuse eingelegt ist. Zur Verhinderung von Luftblasen ist eine Benetzung des Piezoelements mit einer Flüssigkeit, bevorzugt mit Öl oder Wasser, vorgesehen. Rückseitig ist am Piezoelement ein Anschlußdraht zentral aufgelötet. Zur flüssigkeits- und gasdichten Abdichtung ist ein O-Ring vorgesehen. Weiterhin ist ein Bedämpfungskörper vorgesehen, der das Piezoelement mit dem Gehäuse rückseitig bedämpft. Der erforderliche Anschlußdruck für die leitende Kontaktierung des Piezoelements wird durch ein Einspannen mittels eines Sicherungsringes erzielt. Bei dieser Anordnung ist die elektrische Kontaktierung sehr problematisch, wobei der zentrale Lötanschluß das Schwingungsverhalten des Piezoelements ungünstig beeinträchtigt.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen besonders einfach aufgebauten und einfach montierbaren Schallkopf, insbesondere Ultraschallkopf, anzugeben.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dabei weist der Schallkopf in einem Gehäuse ein Innensystem auf, das aus einem bodenseitig angeordneten und mit einer Anschlußfahne verbundenen Piezoelement sowie aus einem darüberliegenden Dämpfungskörper aufgebaut ist, und das mittels eines arretierbaren Sicherungselements im Gehäuse eingespannt ist.

[0007] In vorteilhafter Ausgestaltung sind das Piezoelement und der Dämpfungskörper zwischen der Bodenseite des Gehäuses und einer Andruckscheibe eingeklemmt. Dabei ist das auf der dem Dämpfungskörper abgewandten Seite der Andruckscheibe vorgesehene Sicherungselement in Form eines Sicherungsringes ausgebildet, der in ein Gehäusestrukturteil, z.B. in eine Gehäuseinnennut oder gegen eine Schulterkontur innerhalb des Gehäuses, einrastbar ist. Der Sicherungsring dient somit zur Arretierung des vorgespannten Innensystems aus Piezoelement und Dämpfungskörper.

[0008] Die elektrische Verbindung des Piezoelements erfolgt über einen Masseanschluß und einen Signalanschluß. Dazu ist die Masseanschlußseite des Piezoelements zweckmäßigerweise mit dem Gehäuseboden kontaktiert. An die gegenüberliegende Signalanschlußseite des Piezoelements ist dann die Anschlußfahne angeschlossen, die dort vorzugsweise aufgeklebt ist.

[0009] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Anschlußfahne dezentral angeordnet. Dabei ist die Anschlußfahne in einem durch den Dämpfungskörper und durch das Sicherungselement geführten Isolierschlauch angeordnet. Dieser ist seinerseits innerhalb des Gehäuses seitlich und koaxial verlaufend angeordnet.

[0010] Das Piezoelement ist zweckmäßigerweise in das Gehäuse eingeklebt, wobei der Kleber vorteilhafterweise leitfähig und elastisch ist. Dabei ist zwischen dem Gehäuse und dem Piezoelement einerseits und zwischen diesem und der Anschlußfahne andererseits jeweils eine leitfähige und elastische Klebefuge vorgesehen. Der Kleber dient somit als elektrische Anbindung und akustische Ankopplung zwischen Gehäuse, Piezoelement und Anschlußfahne. Er bildet darüber hinaus eine elastische Fuge zwischen dem Gehäuse und dem Piezoelement, deren Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

[0011] Der Dämpfungskörper dient zur rückwärtigen Bedämpfung des keramischen Piezoelements. Er erhöht außerdem die Druckstabilität von der Mediumseite auf den Schallkopf. Der Dämpfungskörper dichtet weiterhin die Piezokeramik hermetisch gegen Umwelteinflüsse ab, wozu er vorzugsweise bodenseitig eine Ausnehmung zur Aufnahme des Piezoelements aufweist. Ferner dient der Dämpfungskörper zum Ausgleichen von z.B. durch Temperaturwechsel hervorgerufenen Materialspannungen.

[0012] Das Gehäuse ist vorteilhafterweise ein materialsparend aufgebautes Aufnahmeteil geringer Aufbauhöhe. Es weist eine trichterförmige abgestufte Innenkontur auf, so daß die Einzelteile des Innensystems, nämlich das Piezoelement und der Dämpfungskörper sowie gegebenenfalls die Andruckscheibe, in unverwechselbarer Reihenfolge in das Aufnahmeteil eingesetzt sowie anschließend mittels des Sicherungsring eingeklemmt und gehalten werden können. Dabei weist der Dämpfungskörper zur Zentrierung der Andruckscheibe ein Zentrierungsformteil - z. B. einen angeformten Zapfen - auf, der in eine komplementäre Öffnung in der Andruckscheibe eingreift.

[0013] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Einspannen des im wesentlichen aus einem Piezoelement und einem Dämpfungskörper aufgebauten Innensystems eines Schallkopfes innerhalb eines Aufnahmeteils mittels eines arretierbaren Sicherungselements eine einfache und rationelle Montage des Innensystems durch wenige und einfach zu fügende Teile ermöglicht ist. Die Montage des Innensystems mittels des Sicherungselements in Form eines Sicherungsringes und einer Andruckscheibe ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Innenstruktur sowie eine Minimierung der Aufbauhöhe des Aufnahmeteils durch Materialreduzierung. Die ein Stanzteil darstellende Andruckscheibe ist besonders kostengünstig und einfach herzustellen. Ebenfalls kostengünstig herzustellen ist der Dämpfungskörper, da dieser als einfaches Formteil ausgeführt sein kann.

[0014] Einen wesentlichen Vorteil stellt die seitliche Ausführung der Anschlußfahne dar, da somit eine vollflächige ungestörte Dämpfung des Piezoelements gewährleistet ist. Der Aufbau des Innensystems ermöglicht darüber hinaus eine direkte Kontaktierung der Signalseite des Piezoelements ohne kritische Übergangswiderstände. Weiter wird ein besonders kurzes Ein- und/oder Ausschwingen bei Erregung des Piezoelements sowie ein besonders gutes Stör-/Nutzsignalverhältnis erreicht. Ferner sind aufgrund der durch Einklemmen mittels des Sicherungsrings hervorgerufenen und damit durch die Kompression des Dämpfungskörpers bewirkten Druckkräfte auf das Piezoelement in Bezug auf den Kleber nur geringe Klebkräfte erforderlich.

[0015] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, weitere Vorteile und Details werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur 1 einen Schallkopf im Längsschnitt mit in einem Aufnahmeteil eingeklemmtem Innensystem. Figur 2 zeigt eine Anschlußfahne in einer räumlichen Darstellung.

[0016] Der Schallkopf 1 ist z.B. ein Ultraschallempfänger oder Ultraschallsender zur Messung des Durchflusses und/oder der Geschwindigkeit eines beispielsweise in einer Rohrleitung strömenden Mediums. Er umfaßt ein Aufnahmeteil 2 als Gehäuse oder Einbaukörper für ein Innensystem 3. Das Aufnahmeteil 2 dient darüber hinaus als Befestigungssystem des Schallkopfes 1 innerhalb eines (nicht dargestellten) Durchflußmeßsystems. Es dient weiter zur Abschottung gegen das zu messende Medium. Das Aufnahmeteil 2 dient ferner als Masseanschluß eines Piezoelements 4 in Form einer Piezokeramik, das ein Teil des Innensystems 3 des Schallkopfes 1 ist.

[0017] Zur Bildung des Masseanschlusses ist das Piezoelement 4 mit der Bodenseite 5 des Aufnahmeteils 2 verklebt. Dazu ist zwischen der entsprechenden Masseanschlußseite 4a des Piezoelements 4 und der Bodenseite 5 des Aufnahmeteils 2 eine Klebeschicht oder Klebefuge 6 aus einem leitfähig eingestellten Kleber vorgesehen, die gleichzeitig als elastische Fuge dient. Auf die der Bodenseite 5 des Aufnahmeteils 2 abgewandten Signalanschlußseite 4b des Piezoelements 4 ist eine Anschlußfahne 8 geführt, die dort mit ihrem löffelartigem Kontaktende 7 kontaktiert ist. Dabei stellt die Anschlußfahne 8 über eine weitere leitende Klebefuge 9 den galvanischen Kontakt zwischen dem Piezoelement 4 und einer (nicht dargestellten) Elektronik her.

[0018] Wesentlich für die beidseitige Verklebung des Piezoelements 4 ist auch, daß eine vollflächige Verklebung ohne Einschluß von Gasblasen erfolgt. Die Verklebung erfolgt daher bevorzugt unter Druckeinwirkung und unter Vakuum.

[0019] Figur 2 zeigt die Anschlußfahne 8 im Detail. Sie ist bevorzugt aus einem einstückigen Metallstück, z.B. Kupfer, hergestellt und weist ein Kontaktende 7 auf, das zur Kontaktierung auf dem Piezoelement 4 aufgeklebt ist.

[0020] Piezoelemente weisen in der Regel zur Kontaktierung auf ihrer Oberseite aufgedampfte Anschlußelektroden auf. Mit diesen Anschlußelektroden muß ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Die vorliegende Anschlußfahne 8 weist daher ein Kontaktende 7 auf, das zumindest annähernd die Form des Piezoelements 4 aufweist und somit großflächig auf der Masseanschlußseite 4a das Piezoelement 4 kontaktiert. Somit ist eine sehr gute Kontaktierung gegeben, wobei das Schwingungsverhalten des Piezoelements 4 nicht beeinträchtigt wird. Dies betrifft insbesondere den zentralen Bereich des Piezoelements 4, in dem sich in der Regel ein Schwingungsbauch bei einer Signalansteuerung ausbildet. Bei einem zentralen Anschluß wie beim obengenannten Stand der Technik wird dieser Schwingungsbauch stark gedämpft, was die Schwingungsausbreitung behindert. Bei der vorliegenden Anschlußfahne ist ein freies Schwingen des Piezoelements 4 gewährleistet.

[0021] Oberhalb des Piezoelements 4, d.h. auf dessen Signalanschlußseite 4b, ist ein Dämpfungskörper 10 als weiteres Teil des Innensystems 3 des Schallkopfes 1 im Aufnahmeteil 2 angeordnet. Der das Piezoelement 4 bedämpfende Dämpfungskörper 10 dient zur Erhöhung der Druckstabilität gegenüber dem auf den Schallkopf 1 einwirkenden Strömungsmedium M und dichtet das Piezoelement 4 hermetisch gegen den Außenraum ab. Der Dämpfungskörper 10 weist auf der der Bodenseite 5 zugewandten Seite eine das Piezoelement 4 mindestens teilweise umschließende Ausnehmung 11 zur Positionierung des Piezoelements 4 innerhalb des Aufnahmeteils 2 auf.

[0022] Auf der der Ausnehmung 11 gegenüberliegenden Seite des Dämpfungskörpers 10 ist ein Zapfen 12 angeformt, der durch eine komplementäre Öffnung 13 in einer Andruckscheibe 14 hindurchragt. Der Zapfen 12 dient als Zentrierungsformteil für die Andruckscheibe 14 innerhalb des Aufnahmeteils 2. Auf der dem Dämpfungskörper 10 abgewandten Seite der Andruckscheibe 14 ist ein Sicherungselement 15 in Form eines Sicherungsringes vorgesehen, der zur montagefreundlichen Arretierung des gesamten vorgespannten Innensystems 3 dient. Dazu liegt der Sicherungsring 15 im eingerasteten Zustand in einer Nut 16 des Aufnahmeteils 2. Alternativ kann dort auch eine der Bodenseite 5 zugewandte Schulter an der Innenwand des Aufnahmeteils 14 vorgesehen sein.

[0023] Während der arretierbare Sicherungsring 15 zum Einspannen des Innensystems 3 in das Aufnahmeteil 2 dient, bewirkt die Andruckscheibe 14 eine gleichmäßige Druckverteilung auf den komprimiert eingebauten Dämpfungskörper 10. Das Innensystem 3 umfaßt hierbei zusätzlich zu dem Piezoelement 4 und dem Dämpfungskörper 10 sowie der Anschlußfahne 8 auch die Andruckscheibe 14 und den Sicherungsring 15.

[0024] Um beim Einspannen oder Einklemmen des Innensystems 3 in das Aufnahmeteil 2 eine vollflächige ungestörte Dämpfung des Piezoelements 4 zu gewährleisten, ist die (gegebenenfalls zum Aufnahmeteil 2 und zum Innensystem 3 koaxiale) Anschlußfahne 8 seitlich und somit dezentral aus dem Aufnahmeteil 2 herausgeführt. Die Anschlußfahne 8 ist von einem Isolierschlauch 17 ummantelt, der ebenfalls Teil des Innensystems 3 ist. Dadurch ist ein ungewollter Kurzschluß zwischen Masse- und Signalanschluß des Piezoelements 4 sicher vermieden.

[0025] Der Dämpfungskörper 10 hat vorliegend mehrere Funktionen. Zum einen dichtet er das Piezoelement 4 gegenüber der Außenatmosphäre gas- und flüssigkeitsdicht ab. Zum anderen erzeugt er einen Gegendruck gegenüber den von außen auf den Boden 5 einwirkenden Druck des umgebenden Mediums. Derartige Schallköpfe sind in der Praxis beispielsweise für Temperaturbereiche von -20 bis 180°C und für Drücke von 0 bis 60 bar ausgelegt. Bei einer dicken Auslegung des Bodens 5 kann das Schallsignal schlecht in das Medium übertragen werden. Ein dünner Boden 5 könnte hingegen von dem umgebenden Druck zerstört werden. Vorliegend wird der dünn dimensionierte Boden 5 über das Piezoelement 4 von dem Dämpfungskörper 10 gegenüber dem Gehäuse 2 abgestützt, wodurch der Außendruck abgefangen wird.

[0026] Der Dämpfungskörper 10 ist bevorzugt um ca. 30% seines Volumens im Einbauzustand zusammengepreßt. Diese Bemessung erfolgt in der Regel unter Berücksichtigung der den Schallkopf 1 umgebenden Temperaturschwankungen. Der Boden 5 weist bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 0,7 mm, insbesondere eine Dicke von 0,1 bis 2 mm, auf.

[0027] Selbstverständlich beinhaltet der Dämpfungskörper 10 auch die Funktion der rückwärtigen Schwingungsdämpfung, wodurch Schallwellen, die nach hinten abgegeben werden, absorbiert werden. Weiterhin erfüllt der Dämpfungskörper 10 auch die Aufgabe einer gleichmäßigen Druck- und Lastverteilung auf das Piezoelement 4.

[0028] Durch den Einbau des Dämpfungskörpers 10 unter Druck und unter Verringerung seines Volumens erfolgt eine mikroskopische Verschweißung seiner Oberfläche mit der rückseitigen Fläche des Kontaktendes 7, wodurch ebenfalls im Hinblick auf die oben angegebenen Funktionen ein günstiger Aufbau gegeben ist. Es ist daher auch festzuhalten, daß der - bei oberflächlicher Betrachtung - einfache Aufbau eine Vielzahl von Details beinhaltet, die in Summe synergetisch wirken, wodurch gute Betriebsdaten bei einfacher Fertigung, wenigen Teilen und damit geringen Fertigungskosten erzielt sind.

[0029] Der besonders einfache Aufbau des Innensystems 3 ermöglicht einen einfachen und montagefreundlichen Zusammenbau des Schallkopfes 1, da nach Einsetzen der Einzelteile 4, 8, 10 und 14 des Innensystems 3 lediglich ein Einrasten des Sicherungsrings 15 erfolgt. Insgesamt ist eine einfache und rationelle Montage des Innensystems 3 durch wenige und einfach zu fügende Teile ermöglicht. Die einfache und fehlersichere Montage wird darüber hinaus durch die aus der Figur ersichtliche abgestufte Innenkontur des Gehäuses oder Aufnahmeteils 2 unterstützt. Zur Realisierung eines

low-cost"-Aufnahmeteils 2 kann dies auch bezüglich der axialen Länge kleiner ausgestaltet sein, so daß der oberhalb der gestrichelten Linie liegende Bereich des Aufnahmeteils 2 entfallen kann.


Ansprüche

1. Schallkopf, insbesondere Ultraschallkopf, mit in einem Gehäuse (2), einem Innensystem (3), das aus einem bodenseitig angeordneten und mit einer Anschlußfahne (8) verbundenen Piezoelement (4) sowie aus einem darüberliegenden Dämpfungskörper (10) aufgebaut ist, und das mittels eines arretierbaren Sicherungselements (15) im Gehäuse (2) eingespannt ist, wobei das Piezoelement (4) elektrisch leitend mit dem Boden verklebt ist und auf seiner dem Boden (5a) abgewandten Signalanschlußseite (4b) ein aufgeklebtes Kontaktende (7) der Anschlußfahne (8) trägt, welche seitlich aus dem Gehäuses herausgeführt ist.
 
2. Schallkopf nach Anspruch 1, wobei das Piezoelement (4) und der Dämpfungskörper (10) zwischen der Bodenseite (5) und einer Andruckscheibe (14) eingeklemmt sind, wobei das auf der dem Dämpfungskörper (10) abgewandten Seite der Andruckscheibe (14) vorgesehene Sicherungselement (15) in ein Gehäusestrukturteil (16) einrastbar ist.
 
3. Schallkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die bodenseitige Masseanschlußseite (4a) des Piezoelements (4) mit dem Gehäuse (2) kontaktiert ist, und wobei die Anschlußfahne (8) mit der gegenüberliegenden Signalanschlußseite (4b) des Piezoelements (4) verbunden ist.
 
4. Schallkopf nach Anspruch 3, wobei die Anschlußfahne (8) mit einem Kontaktende (7) auf der Signalanschlußseite (4b) des Piezoelements (4) aufgeklebt ist.
 
5. Schallkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anschlußfahne (8) dezentral angeordnet ist.
 
6. Schallkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anschlußfahne (8) in einem durch das Innensystem (3) geführten Isolierschlauch (17) angeordnet ist.
 
7. Schallkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Piezoelement (4) in das Gehäuse (2) eingeklebt ist, wobei sowohl zwischen dem Gehäuse (2) und dem Piezoelement (4) als auch zwischen diesem und der Anschlußfahne (8) jeweils eine Klebefuge (6 bzw. 9) vorgesehen ist.
 
8. Schallkopf nach Anspruch 7, wobei ein leitfähiger und elastischer Kleber eingesetzt ist.
 
9. Schallkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Dämpfungskörper (10) bodenseitig eine Ausnehmung (11) zur Aufnahme des Piezoelements (4) aufweist.
 
10. Schallkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse (2) eine zur Bodenseite (5) hin abgestufte Innenkontur aufweist.
 
11. Schallkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Dämpfungskörper (10) ein zu einer Öffnung (13) in der Andruckscheibe (14) komplementäres Zentrierungsformteil (12) aufweist.
 




Zeichnung