DE102017107331A1

DE102017107331A1 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102017107331A1
Application number: DE102017107331.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Raacke; Michael Gälger-Rutenbeck
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen chemiefesten Ultraschallsensor mit einem ein erstes Gehäuseteil (1) und ein zweites Gehäuseteil (2) aufweisenden Gehäuse aus Edelstahl und einer im Gehäuse angeordneten Ultraschall-Wandlereinheit (3), wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche (4) aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist, wobei sich über die Sensorfläche (4) eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie (21) aus PTFE erstreckt und ringförmige Schallentkopplungsmittel (5, 8) vorgesehen sind, zur Schallentkopplung der Ultraschall-Wandlereinheit (3) vom Gehäuse. Das zweite Gehäuseteil (2) ist eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundene Kappe (2), wobei zwischen einer Gehäuseinnenseite (7) und einer Außenseite (6) der Ultraschall-Wandlereinheit (3) eine Schallentkopplungsschicht (8) und zwischen einer an einem von einem Rand des ersten Gehäuseteils (1) gebildeten Anlagefläche (9) und dem Rand (21') der Schutzfolie (21) ein Schallentkopplungsring (5) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einem ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweisenden Gehäuse, wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit angeordnet ist, wobei sich über die Sensorfläche eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie erstreckt und ringförmige Schallentekopplungsmittel vorgesehen sind, zur Schallentkopplung der Ultraschall-Wandlereinheit vom Gehäuse.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßer Ultraschallsensor ist aus der WO 2015/052269 A1 vorbekannt. Dort wird ein Ultraschallsensor mit einem Edelstahlgehäuse beschrieben, welches aus zwei Gehäuseteilen besteht. Das Gehäuse besitzt eine Sensorfläche. Die Sensorfläche ist mit einer Edelstahlfolie verschlossen, die sich bis zum Rand der Gehäuseöffnung erstreckt und diese überfängt. Das zweite Gehäuseteil, in dem sich ein Ultraschallwandler befindet, ist gegenüber dem ersten Teil durch ein ringförmiges Schallentkopplungsmittel schallentkoppelt. Die Ultraschall-Wandlereinheit besitzt einen Haltering, der an der Innenseite des zweiten Gehäuseteiles anliegt und das Gehäuse der Ultraschall-Wandlereinheit zentriert. Die Ultraschall-Wandlereinheit besitzt ein Piezoelement, das mit einer Anpassscheibe mit der Edelstahlfolie verbunden ist. Das Piezoelement ist sowohl in der Lage Ultraschallwellen zu emittieren als auch Ultraschallwellen zu empfangen. Der Ultraschallsensor ist in der Lage, Füllstände in Flüssigkeiten oder Abstände über Schalllaufzeitmessung zu messen.
Ultraschallsensoren sind auch aus weiterem Stand der Technik bekannt, insbesondere aus den DE 25 41 492 und DE 25 37 788 .
Die DE 198 09 207 C1 beschreibt eine Ultraschall-Wandlereinrichtung, bei der rückwärtig einer Anpassschicht ein Ultraschallwandler angeordnet ist. Das Gehäuse ist mit einem Schmelzkleber ausgegossen.
Die DE 199 27 797 C1 beschreibt ein in einem Gehäuse angeordnetes Piezoelement als Ultraschallsensorelement, wobei das Gehäuse von einer Schaumstoffschicht zur Schallentkopplung umgeben ist.
Die EP 0 116 823 offenbart ebenfalls einen Schaum zur Körperschall-Entkopplung einer Ultraschall-Wandlereinheit von einem Gehäuse.
Aus der DE 10 2008 016 558 A1 ist die Verwendung eines Stoßfängers bei der Montage eines in einem Gehäuse angeordneten Piezowandlers an einer Halterung bekannt.
Die DE 10 2013 022 047 A1 offenbart eine Anordnung eines Piezoelementes auf einer Membran, wobei sich zwischen Piezoelement und Membran eine Schicht aus einem isolierenden Material befindet.
Die EP 0 182140 B1 beschreibt ein zwischen Kunststoffschichten angeordnetes Piezoelement bei einem Flüssigkeitspegel-Messgerät, welches mit Ultraschall arbeitet.
Die EP 1415 596 A1 beschreibt eine Anordnung eines Sensors, bei der vor der Sensorfläche ein Hohlraum zwischen Membranen vorgesehen ist, der mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Die DE 101 25 272 A1 beschreibt die Anordnung eines Dämmstoffs in einem Ultraschallwandlergehäuse.
Die EP 1431 957 A2 befasst sich mit einem Ultraschallsensor, der in einer topfartig ausgebildeten Membran liegt, wobei außenseitig des Membranbodens ein Entkopplungsmedium vorgesehen ist.
Die EP 0 766 071 A1 beschreibt einen Ultraschallwandler mit einer hohen chemischen Beständigkeit, der ein topfförmiges Gehäuse hat, das durch eine Membran abgeschlossen ist. Rückwärtig der Membran befindet sich zwischen einem Spannring eine Anpassschicht, rückwärtig derer das Sensorelement vorgesehen ist. Darüber hinaus enthält das Gehäuse eine Dämpfungsschicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seines Anwendungsbereichs verbesserten Ultraschallsensor anzugeben und insbesondere Maßnahmen vorzusehen, mit denen der Ultraschallsensor chemiefest ist, also auch mit aggressiven flüssigen Medien in Kontakt gebracht werden kann und seine Ultraschall-Wandlereinheit genügend gegenüber dem Gehäuseschall entkoppelt ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung sind, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.
Das Gehäuse besteht aus einem gut schallleitenden Werkstoff, insbesondere Edelstahl. Es sind Maßnahmen vorgesehen, um die innerhalb des Gehäuses angeordnete Ultraschall-Wandlereinheit vom Gehäuse zu entkoppeln. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um die Sensorfläche gegen Chemikalien zu schützen. Ferner werden Maßnahmen ergriffen, um das Gehäuse flüssigkeitsdicht, bevorzugt auch gasdicht, auszugestalten. Indem das Gehäuse aus Edelstahl besteht und ein erstes Gehäuseteil von einer aus Edelstahl bestehenden Kappe verschlossen ist, ist es chemieresistent ausgebildet. Die Kappe besitzt eine Öffnung, rückwärtig welcher sich eine Anpassscheibe erstreckt, die der Ultraschall-Wandlereinheit zugeordnet ist. Über eine Schallentkopplungsschicht, die bevorzugt von einer Schaumfolie gebildet wird, ist eine Umfangswandung der Ultraschall-Wandlereinheit vom Gehäuse entkoppelt. Hierzu erstreckt sich die Schallentkopplungsschicht zwischen Außenseite der Ultraschall-Wandlereinheit und insbesondere des Gehäuses der Ultraschall-Wandlereinheit und der Innenseite des Gehäuses, welches bevorzugt rohrförmig ausgebildet ist. Auf dem Rand des ersten Gehäuseteils, der sich bevorzugt auf einer Kreisbogenlinie erstreckt und die Gehäuseöffnung umgibt, in der die Ultraschall-Wandlereinheit steckt, sitzt ein Zwischenring zur Körperschall-Entkopplung. Die Schallentkopplungsschicht und der Schallentkopplungsring besitzen ein Material, welches eine verglichen mit dem Werkstoff des Gehäuses geringe Schallleitfähigkeit aufweist. Bei der Schallentkopplungsschicht und bei dem Schallentkopplungsring handelt es sich gewissermaßen um parallel geschaltete, hochohmige Schallübertragungswiderstände. Diese Schallübertragungswiderstände sind so angeordnet, dass das Gehäuse von der Ultraschall-Wandlereinheit nur mit schlecht schallleitenden Elementen verbunden ist. Gut schallleitende Brücken zwischen Gehäuse und Ultraschall-Wandlereinheit werden vermieden. Bei diesem Schallentkopplungsring kann es sich um einen Körper aus PET handeln. Er besitzt einen rechteckigen Querschnitt und eine Rückseite, die an einer in einer Ebene verlaufenden Anlagefläche, die vom Rand des Gehäuses ausgebildet wird. Eine der Rückseite gegenüberliegende Stirnfläche des Schallentkopplungsrings erstreckt sich bündig zur Sensorfläche. Die Schallentkopplungsschicht kann sich bis in den Abstandsraum zwischen Schallentkopplungsring und Außenseite der Ultraschall-Wandlereinheit erstrecken. In einer Variante bilden Anpassscheibe, das Gehäuse der Ultraschall-Wandlereinheit, die Schaumentkopplungsschicht und der Schallentkopplungsring eine koaxiale Anordnung. In einer alternativen Variante kann die radiale Schallentkopplung auch durch eine geeignete Ausgestaltung der Ultraschall-Wandlereinheit erfolgen. Im Wandlergehäuse können geeignete Maßnahmen vorgesehen sein, um ein oder mehrere Ultraschallwandler, bspw. Piezoelemente und damit verbundenen Anpassscheiben, vom Gehäuse der Ultraschall-Wandlereinheit zu entkoppeln. Bspw. ist vorgesehen, hierzu das Gehäuse der Ultraschall-Wandlereinheit mit einem geeigneten schlecht schallleitenden Schaum auszuschäumen. Eine Folie, die insbesondere aus einem chemikalienresistenten Material gefertigt ist und bevorzugt aus PTFE oder FEP besteht, deckt die Sensorfläche ab. Die Folie ist bevorzugt auf die Sensorfläche, bspw. die Stirnseite der Anpassscheibe der Ultraschall-Wandlereinheit aufgeklebt. Die Folie besitzt einen Randabstand, der sich über die Stirnfläche des Schallentkopplungsrings erstreckt. Die Folie hat eine hohe Schallleitfähigkeit, besitzt gemäß obiger Analogie somit ebenso, wie das Gehäuse und die Kappe, einen „niederohmigen“ Schallübertragungswiderstand. Der Schallentkopplungsring entkoppelt so auch die schallleitend mit der Ultraschall-Wandlereinheit verbundene Folie vom Gehäuse. Die Folie und insbesondere der Rand der Folie ist so gelagert, dass die Folie oder ihr Rand keine Schallbrücke zum Gehäuse bildet. Die Gehäuseöffnung des ersten Gehäuseteils wird von einer das zweite Gehäuseteil bildenden Kappe verschlossen. Bevorzugt weist die Kappe einen radial einwärts gerichteten Kragen auf, der beim Aufbringen der Kappe auf das erste Gehäuseteil einen Dichtring kraftbeaufschlagt, so dass der Dichtring eine Dichtkraft auf die sich rückseitig auf der Stirnfläche des Schallentkopplungsrings abstützenden Folie aufbringen kann. An den Kragen der Kappe kann sich radial innen ein in Achsrichtung abgebogener Steg anschließen, der eine bevorzugt kreisförmige Öffnung, in der sich die Sensorfläche befindet, umgibt. Dieser Steg bildet zusammen mit der Innenseite eines Flanschabschnitts der Kappe eine Rinne aus. Es handelt sich um eine ringförmige Rinne. In der Rinne liegt der Dichtring, der bevorzugt aus Gummi (Viton-Ring) oder einem ähnlichen gummielastischen Material gefertigt ist. Der Dichtring ist ebenfalls aus einem schlecht schallleitenden Material gefertigt und bildet einen Schallausbreitungswiderstand aus. Der Rand der Folie ist somit zwischen zwei ringförmigen Schallausbreitungswiderständen gefasst. Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, bei dem das zweite Gehäuseteil eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil verbundene Kappe ist, wobei bevorzugt das erste und das zweite Gehäuseteil aus Metall, insbesondere Edelstahl bestehen. Zwischen dem Rand des ersten Gehäuseteiles und dem Rand der Schutzfolie ist ein Schallentkopplungsring angeordnet. Das zweite Gehäuseteil bildet einen radial einwärts gerichteten Kragen. Der Kragen übergreift den Rand der Schutzfolie. Ein dichtend auf dem Rand der Schutzfolie anliegender Dichtring klemmt den Rand der Schutzfolie zwischen sich und dem Schallentkopplungsring ein. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verbindung des ersten Gehäuseteils mit dem zweiten Gehäuseteil. Bevorzugt besitzt hierzu der Flanschabschnitt des zweiten Gehäuseteils auf seiner vom Kragen wegweisenden Seite einen Rand, der in der montierten Stellung berührend an einer Anschlagfläche des Gehäuses anliegt, so dass diese Flächenanlage eine Axialstellung der Kappe gegenüber dem ersten Gehäuseteil definiert. In dieser fertig montierten Stellung hat ein Rand des vom Kragen abragenden Steges einen axialen Abstand zur Folie. Zwischen dem Rand des Steges und der Folie bildet sich somit ein Abstand, der konstruktiv durch einen Luftspalt verwirklicht ist, dessen Vorhandensein konstruktions- und verfahrensmäßig sichergestellt ist. Auf der von der Sensorfläche wegweisenden Seite ist die Ultraschall-Wandlereinheit mit einer Leiterplatte verbunden. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann fest mit einer Schmalseite der Leiterplatte verbunden sein. An einer dieser Schmalseite gegenüber liegenden Schmalseite trägt die Leiterplatte Kontaktstifte. Das erste Gehäuseteil besitzt auf seiner der Gehäuseöffnung gegenüberliegenden Seite einen rohrförmigen Hülsenabschnitt. Bei der Montage wird zunächst eine Baugruppe bestehend aus der Ultraschall-Wandlereinheit, der Leiterplatte und den Kontaktstiften gefertigt. Diese Baugruppe wird dann ggf. mit einer bereits auf die Außenseite des ersten Gehäuseteils der Ultraschall-Wandlereinheit aufgebrachten Schallentkopplungsschicht durch die Gehäuseöffnung mit den Kontaktstiften voran in das erste Gehäuseteil eingebracht, so dass die Kontaktstifte in den Hülsenabschnitt hineinragen. Die Schallentkopplungsschicht kann von einer Schaumfolie aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Die Schaumfolie kann ein ringförmiger Streifen sein, der vor dem Einsetzen der Ultraschall-Wandlereinheit auf die Ultraschall-Wandlereinheit aufgebracht werden kann. Es ist aber auch möglich, die Schaumfolie zunächst in das erste Gehäuseteil einzusetzen, so dass sie bereichsweise aus dem ersten Gehäuseteil herausragt. Schließlich ist es möglich, die Schallentkopplungsschicht nach dem Einsetzen der Ultraschall-Wandlereinheit in das erste Gehäuseteil einzubringen, bspw. einzuschäumen. Im eingesetzten Zustand tritt die Schaumfolie zumindest bereichsweise in eine berührende Anlage an die Innenseite des ersten Gehäuseteils. Auf den Rand der Gehäuseöffnung wird der Schallentkopplungsring aufgesetzt zwischen Schallentkopplungsring und Gehäuse der Ultraschall-Wandlereinheit kann sich ein Abschnitt der Schallentkopplungsschicht erstrecken. Die Stirnseite des ersten Gehäuseteils wird dann gegen eine ebene Montagefläche gebracht, bei der es sich um eine Horizontalfläche handeln kann. Dabei werden Stirnfläche des Schallentkopplungsrings und Sensorfläche bündig ausgerichtet. Das erste Gehäuseteil wird dann durch den Hülsenabschnitt mit einer geeigneten Vergussmasse gefüllt, so dass die Axialposition der Leiterplatte und des Gehäuses der Ultraschall-Wandlereinheit fixiert ist. Ein Kontaktträger kann dann von außen durch den Hülsenabschnitt auf die Kontaktstifte aufgesetzt werden. Auf die bündige Stirnseite des so gefertigten Halbzeuges wird die chemikalienresistente Folie aufgeklebt. Der Rand der Folie, die aus PTFE oder FEP bestehen kann, ragt über die Schaumentkopplungsschicht hinaus bis auf den Schallentkopplungsring und erstreckt sich über dessen Stirnfläche, wobei die Schaumentkopplungschicht aber auch entfallen kann, wenn innerhalb des Ultraschall-Wandlergehäuses eine ausreichende radiale Schallentkopplung gegeben ist. Die Montage der Kappe erfolgt bevorzugt durch ein Aufstecken der Kappe in Axialrichtung auf das erste Gehäuseteil. Die Kappe sitzt bevorzugt unter Ausbildung einer Presspassung auf dem ersten Gehäuseteil. Der Rand der Schutzfolie liegt pressgedichtet zwischen zwei Presselementen. Beim Aufbringen der Kappe auf das bevorzugt einstückige erste Gehäuseteil wird der in der bevorzugt einstückigen Kappe sitzende Dichtring zusammengedrückt und beaufschlagt den Rand der Folie gegen die Stirnfläche des Schallentkopplungsrings. Der Dichtring und der Schallentkopplungsring bilden somit jeweils ringförmige Presselemente. Ein insbesondere durchmesservergrößerter Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils kann eine Ringstufe ausbilden, über die der Rand des Flanschabschnittes der Kappe geschoben wird. Es entsteht ein dichtender Presssitz. Der Presssitz ist bevorzugt flüssigkeitsdicht und besonders bevorzugt gasdicht. Die Ringstufe grenzt an die Anschlagfläche, an der der Rand des Flanschbereiches der Kappe anliegt. Die Kappe kann aber auch anderweitig mit dem ersten Gehäuseteil verbunden sein. Die bevorzugte Verbindung der Kappe mit dem ersten Gehäuseteil über den Presssitz bzw. die Presspassung bietet aber den Vorteil, den Rand der Schutzfolie pressgedichtet zwischen zwei Presselementen einzuklemmen. Die Ultraschall-Wandlereinheit ist bevorzugt von zwei Gehäuseelementen aus Metall gekapselt, wobei die Ultraschall-Wandlereinheit und die mit ihr schallleitend verbundene Folie ausschließlich über eine geringe Schallleitfähigkeit aufweisende Bauteile mit den Gehäuseteilen in Berührung steht. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann ein inneres Gehäuse aus Kunststoff oder aus Metall aufweisen. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann mehrere Ultraschallwandler, wobei darunter sowohl Sender als auch Empfänger bzw. Transceiver verstanden werden, aufweisen, wobei jeder Ultraschallwandler von den Gehäuseteilen schallentkoppelt ist. Der Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils bildet bevorzugt einen radial von einem rohrförmigen Gehäuseabschnitt abragenden Fortsatz aus, der zur Befestigung des Sensors in einer Öffnung eines Behälters benutzt werden kann. Er liegt dann schraubenkopfartig auf dem Rand der Behälteröffnung auf, wobei zwischen der Behälterwandung und dem Flanschabschnitt eine Dichtung sitzen kann. Das rohrförmige Gehäuse besitzt ein Außengewinde, auf das eine Mutter aufgeschraubt werden kann, die sich von der anderen Seite der Gehäusewand des Behälters abstützen kann. Innerhalb des Gehäuses der Ultraschall-Wandlereinheit befindet sich rückwärtig der Anpassscheibe ein Piezoelement, das als Sensor und/ oder Empfänger für Ultraschallwellen arbeiten kann. Es können auch mehrere Piezoelemente dort angeordnet sein. Die aus Anpassscheibe und mindestens einem Piezoelement bestehende Baugruppe ist von einem Schaumverguss umgeben. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann einen Empfänger und/ oder einen Sensor aufweisen. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann nebeneinanderliegend einen Empfänger und einen Sensor aufweisen. Die die Anpassscheibe abdeckende Folie erstreckt sich innerhalb der Öffnung der Kappe und wird lediglich am Rand gefasst. Ihr Zentralbereich ist mit der Anpassscheibe verklebt. Die Folie kann eine Dicke zwischen 0,05 und 0,3 mm besitzen. Über die Folie wird die akustische Ankopplung der Anpassscheibe mit dem Medium erreicht. Während der Schallentkopplungsring und/oder die Schallentkopplungsschicht aus einem nicht elastischen, insbesondere plastischen Material gefertigt sind, ist der Dichtring aus einem elastischen Material gefertigt. Der Dichtring besitzt im entspannten Zustand einen kreisrunden Querschnitt, so dass er mit einer geringeren Fläche auf der Folie aufliegt, als der ihm gegenüberliegende Schallentkopplungsring. Der Dichtring bewirkt somit eine Schallentkopplung zwischen der Folie und der Kappe. Der Dichtring besitzt bevorzugt eine größere Dichte (1,85 - 2,32g/cm³) als der Schallentkopplungsring (1,36 g/cm³). Es wird ferner als vorteilhaft angesehen, dass der Schallentkopplungsring, der bevorzugt aus PET besteht, aber auch aus PPT, POM oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, flächig an der Stirnfläche des Sensorgehäuses anliegt. Es kann sich dabei um einen radial verbreiterten Abschnitt des Sensorgehäuses handeln. Die Folie kann auch aus Teflon bestehen. Sie ist bevorzugt mit einem Selbstklebefilm versehen, mit dem sie zumindest auf der Anpassscheibe aufgeklebt ist. In einer Variante der Erfindung kann das erste Gehäuseteil eine Stirnwand aufweisen, in der ein oder mehrere, bevorzugt zwei Gehäuseöffnungen vorgesehen sind. In jeder dieser Gehäuseöffnungen steckt eine Ultraschall-Wandlereinheit. Dabei kann eine der mehreren Ultraschall-Wandlereinheiten ein Ultraschallsender und eine andere der mehreren Ultraschall-Wandlereinheiten ein Ultraschallempfänger sein. Auch hier sind Kappen vorgesehen, die in einem Presssitz mit dem ersten Gehäuseteil verbunden sind. Hierzu kann jede Gehäuseöffnung eine Ringstufe ausbilden, an der eine Außenumfangswand der Kappe angepresst ist.
Bei dem Ultraschallsensor kann es sich um einen Analogsensor oder um einen Digitalsensor handeln. Er kann in Frequenzbereichen zwischen 50 kHz und 500 kHz eingesetzt werden. Die Ultraschall-Wandlereinheit kann ein oder mehrere, bevorzugt aus Metall bestehende Wandlergehäuse aufweisen, die zumindest einen Ultraschallwandler aufnehmen. Der mindestens eine Wandler ist somit doppelt metallgekapselt, wobei eine Kapselung durch das Außengehäuse und eine zweite Kapselung durch das Innengehäuse realisiert ist. Bis auf die beiden Stirnseiten des Gehäuses liegen die Wandler gewissermaßen in einem faradayschen Käfig. Die Abschirmwirkung wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung dadurch noch verbessert, dass eine der Breitseitenfläche der Anpassscheibe eine Metallisierung aufweist. Es können auch mehrere Anpassscheiben nebeneinander in einer Axialebene angeordnet sein, so dass mehrere Anpassscheiben jeweils mit ihren frontseitigen Breitseitenflächen die Sensorfläche ausbilden. Die rückwärtige Breitseitenfläche der Anpassscheibe ist jeweils mit einem Ultraschallwandler, bspw. einem Piezoelement verbunden. Eine der beiden Breitseiten, bevorzugt die zum Piezoelement weisende Breitseitenfläche der Anpassscheibe ist mit einer Metallisierung versehen. Ein Ultraschallwandler kann als Ultraschallsender und der andere Ultraschallwandler als Ultraschallempfänger arbeiten.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Näherungsschalter,
2 vergrößert den Ausschnitt II in 1,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung gemäß 1,
4 einen Schnitt durch eine Stirnwand 42 eines ersten Gehäuseteils 1 eines dritten Ausführungsbeispiels,
5 vergrößert den Ausschnitt V in 4.

Beschreibung der Ausführungsformen
Der in den 1 bis 2 dargestellte Ultraschallsensor besitzt ein Edelstahlgehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 1, welches einen rohrförmigen Gehäuseabschnitt aufweist, der ein Außengewinde 32 trägt. An einem frontseitigen Ende dieses rohrförmigen Gehäuseabschnittes, der eine Gehäusehöhlung 31 umgibt, besitzt das erste Gehäuseteil 1 einen radial nach außen abragenden Flanschabschnitt 12 mit einer rückwärtigen Planfläche 11, die als Montagefläche verwendet werden kann. Auf der von der Montagefläche wegweisenden Seite besitzt das erste Gehäuseteil 1 und im Ausführungsbeispiel der Flanschabschnitt 12 ein den Rand einer Gehäuseöffnung bildende Anlagefläche 9. Es handelt sich um eine Planfläche 11. Auf der Rückseite des ersten Gehäuseteils 1 liegt der Gehäuseöffnung ein Hülsenabschnitt 29 gegenüber. Der Hülsenabschnitt 29 bildet eine durchmesserkleine Gehäuseöffnung. Der Ultraschallsensor ist für Entfernungsmessungen geeignet und bildet eine Reflexschallschranke aus. Er besitzt einen Schallsender und einen Schallempfänger. Schallsender und Schallempfänger können aber auch in einer einzigen Ultraschall-Wandlereinheit 3 integriert sein. Sie können in einem Wandlergehäuse 25 angeordnet sein. Es können aber auch mehrere Wandlergehäuse 25 vorgesehen sein.
Auf der Anlagefläche 9 stützt sich ein einen quadratischen Querschnitt aufweisender Schallentkopplungsring 5 aus PET ab. Der Schallentkopplungsring 5 besitzt eine parallel zur Anlagefläche 9 verlaufende Stirnfläche 10. Der Schallentkopplungsring kann aber auch aus PBT (teilkristallin) oder PA6 (teilkristallin) bestehen. Grundsätzlich ist es möglich, auch andere, insbesondere teilkristalline Kunststoffe zu verwenden. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen scharfkantigen Schallentkopplungsring 5 aus TECAPET mit hoher Festigkeit.
Im Bereich der Gehäuseöffnung erstreckt sich um den gesamten Umfang des einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Gehäuses eine Schallentkopplungsschicht 8, die von einer Schaumfolie ausgebildet ist. Die Schallentkopplungsschicht 8 erstreckt sich sowohl über die Innenseite 7 des ersten Gehäuseteils als auch über die Innenseite des Schallentkopplungsrings 5. Die Schallentkopplungsschicht 8 umgibt das Gehäuse 25 einer Ultraschall-Wandlereinheit 3, wobei das Gehäuse 25 ein Piezoelement 22 und eine daran anliegende Anpassscheibe 23 aufnimmt. Das Piezoelement 22 ist bevorzugt ein Piezokristall. Die Anpassscheibe 23 und das Piezoelement 22 sind von der Innenseite des Wandlergehäuses 25 beabstandet. Der Abstandsraum wird von einem Schaumverguss 24 ausgefüllt.
Die Sensorfläche 4 erstreckt sich in derselben Ebene, in der sich auch die Stirnfläche 10 des Schallentkopplungsringes 5 erstreckt. Die Stirnfläche 10 verläuft somit bündig zur Sensorfläche 4. Ein Rand der Schallentkopplungsschicht 8 und des Schaumvergusses 24 liegt ebenfalls in dieser gemeinsamen Ebene.
Eine Folie 21 aus PTFE oder FEP ist auf die Sensorfläche 4 aufgebracht. Sie ist insbesondere mit der Stirnseite der Anpassscheibe 23 verklebt. Der Rand 21' der Folie 21 erstreckt sich über die Stirnfläche 10 des Schallentkopplungsrings 5. Die Folie 21 besitzt eine Materialstärke von 0,051 mm. Sie ist mit einer selbstklebenden Folie (Klebestärkedichte 0,038 mm) beschichtet. Es kann sich dabei um einen Silikon-Kleber handeln.
Der Flanschabschnitt 12 besitzt eine Ringstufe 13, die auf einer Umfangsfläche verläuft und einen radial abragenden Dichtungswulst aufweisen kann. An die Ringstufe 13 schließt sich ein in einer Ebene verlaufende Anschlagfläche 14 an.
Eine Kappe 2 aus Edelstahl besitzt einen Flanschabschnitt 34, welcher einen Rand 15 ausbildet, der beim Aufschieben der Kappe 2 mit ihrem Rand 15 voran auf die Ringstufe 13 gegen die Anschlagfläche 14 stösst. Die Kappe 2 sitzt im Presssitz auf der Ringstufe 13.
Auf der vom Rand 15 wegweisenden Seite bildet die Kappe 2 einen radial einwärts gerichteten, in einer Ebene verlaufenden Kragen 17 aus. An den Kragen 17 schließt sich ein auf einer Zylinderfläche sich erstreckender Steg 18 an, der eine Randkante 19 ausbildet, die zur Folie 21 gewandt ist und zwischen sich und der Folie einen Spalt 33 belässt.
Der Kragen 17 und der Steg 18 begrenzen eine ringförmige Aufnahmenut, in der sich ein aus Gummi oder einem gummielastischen Material gefertigter Dichtring 20 erstreckt, der beim Aufstecken der Kappe 2 auf das erste Gehäuseteil 1 zusammengedrückt wird. Der Dichtring 20 stützt sich auf den Rand 21' der Folie 20 ab und bildet eine Gehäuseabdichtung. Der Dichtring 20 kann eine Shorehärte von 75 A besitzen. Er kann darüber hinaus aus EPDM, aus VMQ oder aus HNBR bestehen. Bevorzugt handelt es sich um eine Runddichtung, wie einen Viton-Ring mit einem kreisförmigen Querschnitt.
Bei der Fertigung des Ultraschallsensors wird zunächst eine Baueinheit bestehend aus der Ultraschall-Wandlereinheit 3 und einer Leiterplatte 27 und Kontaktstiften 28 gebildet. Die Ultraschall-Wandlereinheit 3 ist mittels einem Befestigungselement 26 mit einem schmalen Rand der Leiterplatte 27 verbunden, die sich im Wesentlichen durch das gesamte rohrförmige Gehäuse 1 erstreckt. An der gegenüberliegenden Schmalseite sind die Kontaktstifte 28 befestigt. Diese Baugruppe wird mit den Kontaktstiften voran durch die Gehäuseöffnung hindurch in die Gehäusehöhlung eingesteckt, wobei die Kontaktstifte 28 in den Hülsenabschnitt 29 eintreten. Bei diesem Montageschritt kann bereits der Schallentkopplungsring 5 in seine Position gebracht werden. Auch die Schallentkopplungsschicht 8 besitzt nach diesem Montageschritt ihre Lage zwischen erstem Gehäuseteil 1 und Wandlergehäuse 25.
In einem darauf folgenden Montageschritt erfolgt eine axiale Justierung der Baugruppe innerhalb der Gehäusehöhlung 31 derart, dass die Sensorfläche 4 bündig zur Stirnfläche 10 verläuft. Hierzu wird das Sensorgehäuse auf eine Horizontalfläche gestellt und dann die aus Ultraschall-Wandlereinheit 3, Leiterplatte 7 und Kontaktstiften 28 bestehende Baugruppe axial derart justiert, dass die Sensorfläche 4 mit der Stirnfläche 10 bündig verläuft. Sodann wird durch den Hülsenabschnitt 29 eine Vergussmasse 24 in die Gehäusehöhlung 31 eingefüllt, so dass die axiale Lage der Baugruppe fixiert ist. Anschließend wird der Hülsenabschnitt 29 mittels eines Kontaktträgers 30 verschlossen.
Auf die Stirnseite wird sodann die Folie aufgeklebt. Anschließend wird die mit dem Dichtring 20 versehene Kappe 2 auf das erste Gehäuseteil 1 aufgepresst, bis der Rand 15 an der Anschlagfläche 14 anliegt. Die axiale Länge des Schallentkopplungsrings 5 ist dabei mit ausreichend geringen Toleranzen bemaßt, dass nach der Montage zwischen Folie 21 und Randkante 19 des Steges 18 ein Spalt 33 verbleibt. Eine Umfangsinnenwandung der Kappe 2 liegt dabei mit einem radialen Druck an einer eine Ringstufe ausbildenden Umfangsau-ßenwand des ersten Gehäuseteils 1 an.
Das Gehäuse besteht aus einem schallharten, gut schallleitenden Werkstoff und ist über mehrere Schallentkopplungselemente von der Ultraschall-Wandlereinheit 3 entkoppelt. Das Edelstahlgehäuse ist zunächst durch die von einer Schaumfolie gebildete Schallentkopplungsschicht 8 schallentkoppelt. Die in schallübertragender Anlage auf die Anpassscheibe 23 aufgeklebte Folie 21 ist über den Schallentkopplungsring 5 vom ersten Gehäuseteil 1 und über den Dichtring 20 von der Kappe 2, die ebenfalls aus Edelstahl besteht, schallentkoppelt.
Über die Kontaktstifte 28 kann ein binäres, digitales und/ oder analoges elektrisches Ausgangssignal abgegeben werden, indem ein Standardstecker auf den Hülsenabschnitt 29 aufgesteckt wird. Über die Kontaktstifte 28 erfolgt auch die Energieversorgung. Das Gehäuse kann ein M12-, M18-, M30-Außengewinde aufweisen, auf das eine Mutter zur Befestigung aufgeschraubt werden kann. Bevorzugt sind erstes Gehäuseteil 1 und Kappe 2 aus einem identischen Werkstoff, wobei hier Edelstahl bevorzugt wird. Die beiden Gehäuseteile 1, 2 können aber auch aus Kunststoff, bevorzugt glasfaserverstärktem Kunststoff, bestehen, wie er ansonsten für Näherungsschalter üblich ist. Die Gehäuseteile 1, 2 können auch metallbeschichtet sein.
Wesentlich ist auch das Material und die Form sowie die Funktion des Schallentkopplungsrings 5. Dieser soll einen Rechteck-Querschnitt aufweisen. Die Zylinderinnenfläche des Schallentkopplungsringes 5 liegt in berührender Anlage an der Schallentkopplungsschicht 8 an. Ein die Schallentkopplungsschicht 8 ausbildender PE-Schaumstofffolienring zentriert den Schallentkopplungsring 5, wobei wesentlich ist, dass die Zylinderaußenmantelwand des Schallentkopplungsringes 5 durch einen Spalt 35 von der Innenwandung der Kappe 2 beabstandet ist. Der Schallentkopplungsring 5 hat somit einen geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser der Kappe 2. Der Schallentkopplungsring 5 besteht bevorzugt aus einem teilkristallinen Kunststoff.
Der Schallentkopplungsring 5 braucht keine Dichtfunktion zu entfalten, so dass er nur mit seiner Breitseitenfläche den Stahlkörper des Gehäuses berührt.
Der erfindungsgemäße Sensor befindet sich in einem chemikalienresistenten Gehäuse. Die Sensorfläche ist von einer chemikalienresistenten Folie geschützt. Es sind Schallentkopplungsmittel 5, 8 vorgesehen, um die Folie 21 und das Wandlergehäuse 2 von der Edelstahl-Gehäuseanordnung 1, 2 zu entkoppeln. Zudem ist ein Dichtmittel 20 vorgesehen, um die Gehäuseanordnung 1, 2 im Bereich der der Sensorfläche 4 zugeordneten Gehäuseanordnungsöffnung abzudichten.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der durchmesservergrößerte Kopf des ersten Gehäuseteils rückwärtig der Sensorfläche 4 eine ringförmige Anlagefläche ausbildet, die eine Ringnut aufweist, in der ein Dichtring 43 einliegt. Der Dichtring 43 stützt sich an einer Innenseite einer Behälterwand 40 ab. Auf das Außengewinde 32 des ersten Gehäuseteils 1 ist eine Mutter 39 aufgeschraubt, die sich an der Außenseite der Behälterwand 4 abstützt. Bei der Behälterwand 40 handelt es sich bevorzugt um eine Behälterunterseite, so dass der Ultraschallsensor als Füllstandssensor verwendet wird. Die Sensorfläche 4 weist im eingebauten Zustand nach oben, so dass die Kontaktstifte 28 nach unten weisen.
Mit der Bezugsziffer 23' ist eine Breitseitenfläche der Anpassscheibe 23 bezeichnet, die eine Metallisierung aufweist, die mit einem Kabel 38 mit der Leiterplatte 27 verbunden ist. Die Metallisierung der Breitseitenfläche 23' ist bevorzugt geerdet und liegt auf demselben elektrischen Potenzial, auf dem auch das erste Gehäuseteil 1 und das zweite Gehäuseteil 2 sowie eine Abschirmhülse 36 liegt, die in der Ultraschall-Wandlereinheit 3 vorgesehen ist und die glockenartig den Schaumverguss 24 umgibt.
Die Metallisierung der Breitseitenfläche 23' kann gleichzeitig als Elektrode für das Piezoelement 22 verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Breitseite besitzt das Piezoelement 22 eine weitere Metallisierung 37 bzw. Elektrode, die mit einem Kabel 38 mit der Leiterplatte 27 verbunden ist. Die Anregungsfrequenz liegt bevorzugt bei etwa 200 kHz. Dies ergibt einen Tastbereich von 15 bis 130 cm. Hierzu wird bevorzugt ein ringscheibenförmiges Piezoelement 22 verwendet, bei dem das Verhältnis von Durchmesser zu Dicke mindestens 2 : 1 beträgt. Bevorzugt liegt das Verhältnis bei 2,5 : 1 bis 4 : 1. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Durchmesser etwa 9 cm und die Höhe etwa 3 cm. Das bevorzugte Piezoelement 22 ist ein Radialschwinger, wobei die Radialschwingung in der bevorzugten Resonanzfrequenz von 200 kHz stattfindet. Eine geringfügig vorhandene Dickenschwingung besitzt eine andere Resonanzfrequenz. Bei einer alternativen Scheibengröße kann die Resonanzfrequenz bei etwa 320 kHz liegen. Der Tastbereich beträgt hier 2,5 bis 40 cm. In anderen Varianten wird die Dickenschwingung angeregt, was mit einer höheren Resonanzfrequenz einhergeht. Die Anpassscheibe 23 ist zur Impedanzanpassung an die jeweilige Resonanzfrequenz und das Medium angepasst.
Die 4 und 5 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel. Hier besitzt das erste Gehäuseteil 1 eine Stirnwand 42, die zumindest zwei Gehäuseöffnungen 41 aufweist, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. In jeder Gehäuseöffnung 41 steckt eine Ultraschall-Wandlereinheit 3, wobei eine Ultraschall-Wandlereinheit 3 einen Ultraschallsender und eine andere Ultraschall-Wandlereinheit 3 einen Ultraschallempfänger ausbildet. Ein derartiger Ultraschallsensor kann als Füllstandssensor verwendet werden.
Jede Gehäuseöffnung 41 besitzt eine Anschlagfläche 14, die sich parallel zur Stirnfläche des Sensors erstreckt und die von einer Zylindermantelwand umgeben ist. Die Zylindermantelwand bildet eine Ringstufe 13 aus.
Bei der Montage wird zunächst die Ultraschall-Wandlereinheit 3 in die Gehäuseöffnung 41 eingesteckt und anschließend eine Kappe 2 in die Gehäuseöffnung 1 eingepresst, wobei sich ein Rand 15 an der Anschlagfläche 14 abstützt und eine Zylinderaußenfläche der Kappe 2 unter Ausbildung eines Presssitzes mit radial nach außen gerichteter Kraft an der Ringstufenfläche 13 der Gehäuseöffnung 41 anliegt.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Gehäuseteil 2 eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil 1 verbundene Kappe 2 ist, wobei zwischen einer Gehäuseinnenseite 7 und einer Außenseite 6 der Ultraschall-Wandlereinheit 3 eine Schallentkopplungsschicht 8 und zwischen einer an einem von einem Rand des ersten Gehäuseteils 1 gebildeten Anlagefläche 9 und dem Rand 21' der Schutzfolie 21 ein Schallentkopplungsring 5 angeordnet ist.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Gehäuseteil 2 eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil 1 verbundene Kappe 2 ist, zwischen einer an einem von einem Rand des ersten Gehäuseteils 1 gebildeten Anlagefläche 9 und dem Rand 21' der Schutzfolie 21 ein Schallentkopplungsring 5 angeordnet ist, wobei die Kappe einen radial einwärts gerichteten Kragen 17 aufweist, der den Rand 21' der Schutzfolie 21 übergreift und ein dichtend auf dem Rand 21' der Schutzfolie 21 anliegenden Dichtring 20 in Richtung auf den Schallentkopplungsring 5 kraftbeaufschlagt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Gehäuseteil 2 eine elektrisch leitend mit dem ersten Gehäuseteil 1 verbundene Kappe 2 ist, wobei ein Rand 21' der nicht elektrisch leitenden Schutzfolie 21 zwischen einem radial einwärts gerichteten Kragen 17 der Kappe 2 und einem Rand des ersten Gehäuseteiles 1 liegt, und die zumindest eine Anpassscheibe 23 eine metallisierte Breitseitenfläche besitzt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Gehäuseteil 2 eine schallleitend über eine Presspassung 13,14,15 mit dem ersten Gehäuseteil 1 verbundene Kappe 2 ist und ein Rand 21' der Schutzfolie 21 pressgedichtet zwischen einem radial einwärts gerichteten Kragen 17 der Kappe 2 und einem Rand des ersten Gehäuseteiles 1 liegt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kappe einen radial einwärts gerichteten Kragen 17 aufweist, der den Rand 21' der Schutzfolie 21 übergreift und ein dichtend auf dem Rand 21' der Schutzfolie 21 anliegenden Dichtring 20 in Richtung auf den Schallentkopplungsring 5 kraftbeaufschlagt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kappe 2 auf eine Ringstufe 13 des ersten Gehäuseteils 1 aufgebracht ist und/oder ein Rand 15 der Kappe 2 in einem Presssitz auf einer Ringstufe 13 des ersten Gehäuseteils 1 sitzt und/oder dass das erste Gehäuseteil 1 eine Anschlagfläche 14 ausbildet, an der ein Rand 15 eines Flanschabschnittes 12 der Kappe 2 anliegt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schallentkopplungsring 5 aus einem schlecht schallleitenden Werkstoff, insbesondere aus einem teilkristallinen Kunststoff, bevorzugt PET besteht.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Schallentkopplungsschicht 8 bereichsweise über den Schallentkopplungsring 5 erstreckt und/oder, dass die Schallentkopplungsschicht 8 aus einem schlecht schallleitenden Werkstoff besteht, und insbesondere von einer Schaumfolie ausgebildet ist.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Gehäuseteil 1 und das zweite Gehäuseteil 2 bevorzugt jeweils einstückig aus Metall, insbesondere Edelstahl besteht.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Gehäuseteil 1 im Bereich seiner Gehäuseöffnung einen durchmesservergrößerten Flanschabschnitt 12 mit einer Planfläche 11 aufweist und auf einem sich daran anschließenden zylinderförmigen Gehäuseabschnitt ein Außengewinde 32 aufweist.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich der Kragen 17 an seinem radial inneren Rand in einen Steg 18 fortsetzt, der die Öffnung der Kappe 2 umgibt und zwischen sich und der Innenseite des Flanschabschnitts 34 der Kappe 2 eine umlaufende Rinne ausbildet, in der der Dichtring 20 einliegt.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Randkante 19 des Steges 18 durch einen Spalt 33 von der Folie 21 beabstandet ist.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ultraschall-Wandlereinheit 3 zumindest eine Anpassscheibe 23 aufweist, die die Sensorfläche 4 ausbildet, mit der die Folie 21 verklebt ist, wobei rückwärtig der Anpassscheibe 23 jeweils ein Piezoelement 22 angeordnet ist, welches von einem Schaumverguss 24 fixiert in einem Wandlergehäuse 25 steckt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass mehrere Anpassscheiben (23) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ultraschall-Wandlereinheit 3 zusammen mit einer Leiterplatte 27 eine Baugruppe bildet, wobei an einer Seite der Leiterplatte 27 die Ultraschall-Wandlereinheit 3 und auf der dieser gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 27 Kontaktstifte 28 befestigt sind.
Ein Ultraschallsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Folie 21 aus PTFE oder FEP besteht.
Ein Ultraschallsensor, der gekennzeichnet ist durch zwei in einer Stirnwand 42 des ersten Gehäuseteils 1 angeordnete Gehäuseöffnungen 41, in denen jeweils eine Ultraschall-Wandlereinheit 3 angeordnet ist.
Ein Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors, wobei zunächst eine Baugruppe gefertigt wird, die aus einer Leiterplatte 27, einer an einem Ende der Leiterplatte 27 angeordneten Ultraschall-Wandlereinheit 3 und am gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte 27 angeordneten Kontaktstiften 28 besteht, wobei danach diese Baugruppe durch eine Gehäuseöffnung eines ersten Gehäuseteils 1 in die Gehäusehöhlung 31 derart eingesteckt wird, dass die Kontaktstifte 28 in eine der Gehäuseöffnung gegenüberliegenden Hülsenabschnitt 29 eintreten, wobei zwischen der Außenseite 6 der Ultraschall-Wandlereinheit 3 und der Innenseite 7 des ersten Gehäuseteils 1 eine Schallentkopplungsschicht 8 angebracht und auf einer vom Rand der Gehäuseöffnung ausgebildeten Anlagefläche 9 ein Schallentkopplungsring 5 aufgesetzt ist, wobei die von der Anlagefläche 9 wegweisende Stirnfläche 10 des Schallentkopplungsrings 5 gegen eine ebene Montagefläche, insbesondere Horizontalfläche kraftbeaufschlagt wird und die Sensorfläche 4 der Ultraschall-Wandlereinheit 3 in eine bündige Lage zur Stirnfläche 10 gebracht wird, wobei auf die Sensorfläche 4 eine sich bis über die Stirnfläche 10 des Schallentkopplungsringes 5 erstreckende Folie 21 aufgebracht wird und wobei beim Verbinden einer Kappe 2 mit dem ersten Gehäuseteil 1 ein Dichtring 20 durch einen Kragen 17 der Kappe 2 in Richtung auf den Rand der Folie 21 kraftbeaufschlagt wird.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: erstes Gehäuseteil
2: zweites Gehäuseteil, Kappe
3: Ultraschall-Wandlereinheit
4: Sensorfläche
5: Schallentkopplungsring
6: Außenseite
7: Innenseite
8: Schallentkopplungsschicht
9: Anlagefläche
10: Stirnfläche
11: Planfläche
12: Flanschabschnitt
13: Ringstufe
14: Anschlagfläche
15: Rand
16: Öffnung
17: Kragen
18: Steg
19: Randkante
20: Dichtring
21: Folie
21': Randbereich
22: Piezoelement
23: Anpassscheibe
23': Breitseitenfläche
24: Schaumverguss
25: Wandlergehäuse
26: Befestigungselement
27: Leiterplatte
28: Kontaktstift
29: Hülsenabschnitt
30: Kontaktträger
31: Gehäusehöhlung
32: Außengewinde
33: Spalt, Abstand
34: Flanschabschnitt
35: Spalt
36: Abschirmhülse
37: Metallisierung
38: Kabel
39: Mutter
40: Behälterwand
41: Gehäuseöffnung
42: Stirnwand
43: Dichtring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/052269 A1 [0002]
DE 2541492 [0003]
DE 2537788 [0003]
DE 19809207 C1 [0004]
DE 19927797 C1 [0005]
EP 0116823 [0006]
DE 102008016558 A1 [0007]
DE 102013022047 A1 [0008]
EP 0182140 B1 [0009]
EP 1415596 A1 [0010]
DE 10125272 A1 [0011]
EP 1431957 A2 [0012]
EP 0766071 A1 [0013]

Claims

Ultraschallsensor mit einem ein erstes Gehäuseteil (1) und ein zweites Gehäuseteil (2) aufweisenden Gehäuse, wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche (4) aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist, wobei sich über die Sensorfläche (4) eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie (21) erstreckt und ringförmige Schallentkopplungsmittel (5, 8) vorgesehen sind, zur Schallentkopplung der Ultraschall-Wandlereinheit (3) vom Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (2) eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundene Kappe (2) ist, wobei zwischen einer Gehäuseinnenseite (7) und einer Außenseite (6) der Ultraschall-Wandlereinheit (3) eine Schallentkopplungsschicht (8) und zwischen einer an einem von einem Rand des ersten Gehäuseteils (1) gebildeten Anlagefläche (9) und dem Rand (21') der Schutzfolie (21) ein Schallentkopplungsring (5) angeordnet ist.
Ultraschallsensor mit einem ein erstes Gehäuseteil (1) und ein zweites Gehäuseteil (2) aufweisenden Gehäuse, wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche (4) aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist, wobei sich über die Sensorfläche (4) eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie (21) erstreckt und ringförmige Schallentkopplungsmittel (5, 8) vorgesehen sind, zur Schallentkopplung der Ultraschall-Wandlereinheit (3) vom Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (2) eine schallleitend mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundene Kappe (2) ist, zwischen einer an einem von einem Rand des ersten Gehäuseteils (1) gebildeten Anlagefläche (9) und dem Rand (21') der Schutzfolie (21) ein Schallentkopplungsring (5) angeordnet ist, wobei die Kappe einen radial einwärts gerichteten Kragen (17) aufweist, der den Rand (21') der Schutzfolie (21) übergreift und einen dichtend auf dem Rand (21') der Schutzfolie (21) anliegenden Dichtring (20) in Richtung auf den Schallentkopplungsring (5) kraftbeaufschlagt.
Ultraschallsensor mit einem ersten elektrisch leitfähigen Gehäuseteil (1) und einem zweiten elektrisch leitfähigen Gehäuseteil (2) aufweisenden Gehäuse, wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche (4) aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist, wobei sich über die von zumindest von einer Anpassscheibe (2, 3) gebildete Sensorfläche (4) eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie (21) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (2) eine elektrisch leitend mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundene Kappe (2) ist, wobei ein Rand (21') der nicht elektrisch leitenden Schutzfolie (21) zwischen einem radial einwärts gerichteten Kragen (17) der Kappe (2) und einem Rand des ersten Gehäuseteiles (1) liegt, und die zumindest eine Anpassscheibe (23) eine metallisierte Breitseitenfläche (23') besitzt.
Ultraschallsensor mit einem ein erstes Gehäuseteil (1) und ein zweites Gehäuseteil (2) aufweisenden Gehäuse und einer im Gehäuse angeordneten Ultraschall-Wandlereinheit (3), wobei das Gehäuse eine von einem Rand umgebene Sensoröffnung aufweist und im Gehäuse eine eine Sensorfläche (4) aufweisende Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist, wobei sich über die Sensorfläche (4) eine die Sensoröffnung verschließende Schutzfolie (21) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil (2) eine schallleitend über eine Presspassung (13,14,15) mit dem ersten Gehäuseteil (1) verbundene Kappe (2) ist und ein Rand (21') der Schutzfolie (21) pressgedichtet zwischen einem radial einwärts gerichteten Kragen (17) der Kappe (2) und einem Rand des ersten Gehäuseteiles (1) liegt.
Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe einen radial einwärts gerichteten Kragen (17) aufweist, der den Rand (21') der Schutzfolie (21) übergreift und ein dichtend auf dem Rand (21') der Schutzfolie (21) anliegenden Dichtring (20) in Richtung auf den Schallentkopplungsring (5) kraftbeaufschlagt.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (2) auf eine Ringstufe (13) des ersten Gehäuseteils (1) aufgebracht ist und/oder ein Rand (15) der Kappe (2) in einem Presssitz auf einer Ringstufe (13) des ersten Gehäuseteils (1) sitzt und/oder dass das erste Gehäuseteil (1) eine Anschlagfläche (14) ausbildet, an der ein Rand (15) eines Flanschabschnittes (12) der Kappe (2) anliegt.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallentkopplungsring (5) aus einem schlecht schallleitenden Werkstoff, insbesondere aus einem teilkristallinen Kunststoff, bevorzugt PET besteht.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schallentkopplungsschicht (8) bereichsweise über den Schallentkopplungsring (5) erstreckt und/oder, dass die Schallentkopplungsschicht (8) aus einem schlecht schallleitenden Werkstoff besteht, und insbesondere von einer Schaumfolie ausgebildet ist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (1) und das zweite Gehäuseteil (2) bevorzugt jeweils einstückig aus Metall, insbesondere Edelstahl besteht.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (1) im Bereich seiner Gehäuseöffnung einen durchmesservergrößerten Flanschabschnitt (12) mit einer Planfläche (11) aufweist und auf einem sich daran anschließenden zylinderförmigen Gehäuseabschnitt ein Außengewinde (32) aufweist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kragen (17) an seinem radial inneren Rand in einen Steg (18) fortsetzt, der die Öffnung der Kappe (2) umgibt und zwischen sich und der Innenseite des Flanschabschnitts (34) der Kappe (2) eine umlaufende Rinne ausbildet, in der der Dichtring (20) einliegt.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Randkante (19) des Steges (18) durch einen Spalt (33) von der Folie (21) beabstandet ist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Wandlereinheit (3) zumindest eine Anpassscheibe (23) aufweist, die die Sensorfläche (4) ausbildet, mit der die Folie (21) verklebt ist, wobei rückwärtig der Anpassscheibe (23) jeweils ein Piezoelement (22) angeordnet ist, welches von einem Schaumverguss (24) fixiert in einem Wandlergehäuse (25) steckt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass mehrere Anpassscheiben (23) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Wandlereinheit (3) zusammen mit einer Leiterplatte (27) eine Baugruppe bildet, wobei an einer Seite der Leiterplatte (27) die Ultraschall-Wandlereinheit (3) und auf der dieser gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (27) Kontaktstifte (28) befestigt sind.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (21) aus PTFE oder FEP besteht.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei in einer Stirnwand (42) des ersten Gehäuseteils (1) angeordnete Gehäuseöffnungen (41), in denen jeweils eine Ultraschall-Wandlereinheit (3) angeordnet ist.
Verfahren zur Fertigung eines Ultraschallsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zunächst eine Baugruppe gefertigt wird, die aus einer Leiterplatte (27), einer an einem Ende der Leiterplatte (27) angeordneten Ultraschall-Wandlereinheit (3) und am gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte (27) angeordneten Kontaktstiften (28) besteht, wobei danach diese Baugruppe durch eine Gehäuseöffnung eines ersten Gehäuseteils (1) in die Gehäusehöhlung (31) derart eingesteckt wird, dass die Kontaktstifte (28) in eine der Gehäuseöffnung gegenüberliegenden Hülsenabschnitt (29) eintreten, wobei zwischen der Außenseite (6) der Ultraschall-Wandlereinheit (3) und der Innenseite (7) des ersten Gehäuseteils (1) eine Schallentkopplungsschicht (8) angebracht und auf einer vom Rand der Gehäuseöffnung ausgebildeten Anlagefläche (9) ein Schallentkopplungsring (5) aufgesetzt ist, wobei die von der Anlagefläche (9) wegweisende Stirnfläche (10) des Schallentkopplungsrings (5) gegen eine ebene Montagefläche, insbesondere Horizontalfläche kraftbeaufschlagt wird und die Sensorfläche (4) der Ultraschall-Wandlereinheit (3) in eine bündige Lage zur Stirnfläche (10) gebracht wird, wobei auf die Sensorfläche (4) eine sich bis über die Stirnfläche (10) des Schallentkopplungsringes (5) erstreckende Folie (21) aufgebracht wird und wobei beim Verbinden einer Kappe (2) mit dem ersten Gehäuseteil (1) ein Dichtring (20) durch einen Kragen (17) der Kappe (2) in Richtung auf den Rand der Folie (21) kraftbeaufschlagt wird.
Ultraschallsensor oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.