[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.
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.