EP1902789B1 - Ultraschallwandler und Ultraschallsensor - Google Patents

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EP1902789B1
EP1902789B1 EP20070405234 EP07405234A EP1902789B1 EP 1902789 B1 EP1902789 B1 EP 1902789B1 EP 20070405234 EP20070405234 EP 20070405234 EP 07405234 A EP07405234 A EP 07405234A EP 1902789 B1 EP1902789 B1 EP 1902789B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
transducer
ultrasound
ultrasound transducer
accordance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20070405234
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1902789A1 (de
Inventor
Bernd Jenne
Christoph Nölle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baumer Electric AG
Original Assignee
Baumer Electric AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Baumer Electric AG filed Critical Baumer Electric AG
Publication of EP1902789A1 publication Critical patent/EP1902789A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1902789B1 publication Critical patent/EP1902789B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/22—Mountings; Casings

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic sensor and a method for its production according to the preamble of claims 1, 4 and 9.
  • Ultrasonic sensors that operate according to the pulse-echo principle are suitable for non-contact detection of objects within a detection area.
  • a transducer generates a burst or a short ultrasonic wave packet. This propagates into the room according to the directional characteristic of the transducer. If an object is within the detection range of the sensor, a part of the sound waves is usually reflected back towards the transducer. After sending out the ultrasonic burst, the transducer is switched as a receiver and receives the reflected echo signal on the object.
  • the transit time or the duration between the emission of the burst and the reception of the echo is a measure of the distance of the object from the sensor at a known sound velocity in the propagation medium.
  • the temperature of the propagation medium can be detected and, for example, a correction factor can be calculated based on an allocation table, which determines the temperature dependence of the Sound velocity compensated in the propagation medium.
  • a correction factor can be calculated based on an allocation table, which determines the temperature dependence of the Sound velocity compensated in the propagation medium.
  • separate transmit and receive transducers may also be used.
  • Piezoceramic transducers are widely used to generate and receive ultrasound signals.
  • a matching layer serves as an acoustic impedance converter between the reverberant piezoceramic disk and the liquid or gaseous propagation medium.
  • the thickness of the matching layer is dimensioned so that at a resonant frequency of the vibration system as large a part of the sound energy is transmitted to the surrounding medium. Ideally, the thickness of the matching layer is about one quarter of the resonant wavelength in the matching layer.
  • matching layers of a composite of an epoxy matrix with micro-glass hollow spheres have prevailed.
  • the piezoceramic disk is glued coaxially to the matching layer. This composite is e.g. foamed with a damping or sound-absorbing PU foam such that only the front-side radiating surface remains radially free.
  • the DE-A1-3301808 discloses such a transducer with a good swing-out damping, wherein on the back of the matching layer, in addition, a weighting ring is glued, which is also embedded in the cushioning Schaumumhüllung.
  • the conforming layer for conforming to a liquid spreading medium comprises glass solid beads instead of glass bubbles.
  • this converter only a damping on the back of the matching layer and the piezoceramic disk is provided.
  • the EP-A2-260965 discloses a manufacturing method for an ultrasonic sensor, wherein a membrane is decoupled from a housing by a deformable decoupling medium.
  • the chemical resistance of ultrasonic sensors can be improved, for example, by adhering a film of Teflon to the front side of the transducer, and installing such transducers in a sensor housing made of high-alloy steel or Teflon.
  • Sticking such a protective layer on the matching layer (and optionally on the matching layer sheathing damping ring) by means of an adhesive can massively deteriorate the radiation characteristics and the damping characteristics of the transducer.
  • a protection of the converter housing, which surrounds the oscillating body and the damping mass like a pot, can not be achieved by the Teflon film adhered to the front of the transducer.
  • an ultrasonic transducer which comprises a housing made of an epoxy composite material, wherein at least one sound coupling surface of this housing is coated with a parylene layer.
  • the housing comprises radially outstanding nubs, which are fastened in a groove on an elastic wall of an unspecified recording.
  • the gap between the elastic wall and the housing may be filled with a displacing material. The displacing material is not covered by the protective layer and exposed to the environment.
  • the EP-A-1430838 shows an ultrasonic transducer for spectrographic medical applications, said transducer is rotatably mounted within a hood in an acoustic transmission fluid.
  • the converter comprises a cylindrical piezoceramic disk with a damping body glued on the back side and a matching layer glued on the front side. Front is a concave acoustic lens on the matching layer glued.
  • the elements bonded in this way form a cylindrical stack whose lateral surface in the area of the damping body, the piezoceramic and the matching layer is clasped by a holder without additional damping.
  • This holder is connected to a rotatably mounted shaft.
  • Transducers and holders are coated with a parylene layer, which prevents the penetration of transmission fluid.
  • the present invention has for its object to provide an ultrasonic transducer and an ultrasonic sensor with improved protection against aggressive chemicals and good damping properties. Another object of the invention is to provide the means for protecting the ultrasonic transducer and the ultrasonic sensor so that the ultrasonic sensor can be easily mounted.
  • FIG. 1 schematically shows an ultrasonic transducer 1, also called transducers or transducers. It comprises as oscillating body a piezoceramic disk 3 metallized on both sides, which is glued coaxially to a cylindrical or disk-like matching layer 5 with the same or larger diameter.
  • the composite of piezoceramic disk 3 and matching layer 5 is embedded in a damping body 7, for example a polyurethane foam, with the exception of a front-side radiating surface 8 within a can-shaped or pot-like transducer housing 9.
  • the converter housing 9 is preferably an at least partially metal-coated plastic housing or a metallic housing, which can be used as an electromagnetic shield for the piezoceramic disk 3.
  • the metallizations or electrodes of the piezoceramic disk 3 are connected, for example by means of bonded or soldered strands or cables with contact points on the transducer housing 9 (not shown). Alternatively, you can also use the electrodes connected connection cable through openings at the back of the transducer housing 9 led out of this (not shown). At least the front side of the transducer, but preferably also the lateral surface and possibly the rear side are coated with a thin parylene 11. Such Parylenetiken 11 can be applied in vacuum by condensation from the gas phase as pore-free and transparent polymer film on almost any substrates such as metal, glass, paper, paint plastic, ceramic, ferrite and silicone.
  • the parylene layer 11 may have a thickness d of the order of about 0.5 microns to about 200 microns.
  • the layer thickness d is preferably about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m, for example about 10 ⁇ m.
  • Such layer thicknesses can be deposited on the transducer in one operation.
  • Parylene has a high degree of fissuring and goes on the surface of the transducer without additional adhesive layer an intimate connection with the matching layer 5, the damping body 7 and the transducer housing 9 a. The deposition or coating takes place in vacuo at room temperature. In piezoceramic oscillating bodies, there is no danger that the Curie temperature could be exceeded.
  • the protective layer of parylene is so thin and uniform that it can not or only insignificantly influence the acoustic properties of the ultrasound transducer 1.
  • An ultrasonic transducer 1 protected against aggressive chemicals may be incorporated in an ultrasonic sensor 13, as shown in FIG. 2 is shown.
  • a coating of parylene is biostable and biocompatible.
  • the ultrasound sensor 13 could also be coated completely or at least in the region of the transducer with parylene.
  • the Parylenebe Anlagenung 11 is temperature resistant to about 220 ° C, so their properties at realistic working temperatures up to 100 ° C barely.
  • Parylene is an excellent electrical insulator with high dielectric strength. This enables applications with increased requirements regarding explosion protection.
  • the ultrasonic sensor 13 comprises a tubular or sleeve-shaped housing 15.
  • the housing 15 is made of a material resistant to aggressive media such as acids or solvents such as high alloy steel or Teflon or has a corresponding protective layer on its surface.
  • the housing 15 surrounds the ultrasonic transducer 1 at its front end and is integrally formed at least in the region of this transducer 1 and comprises on its outer lateral surface an external thread 17 which extends preferably over the entire length 1 of the lateral surface extends.
  • a circuit board 19 attached to the transducer housing 19 with the sensor electronics is also at least partially encased by the housing 15.
  • the electrical connection between the sensor electronics and the transducer 1 can take place, for example, by means of contact pins or contacts with spring or insulation displacement terminals or by means of leads soldered to contact points on the printed circuit board 19 (not shown).
  • the rear end of the printed circuit board 19 comprises contact elements 21 for a plug connection and projects beyond the rear end of the housing 15.
  • a plastic end cap 23 is plugged into the housing 15 from the rear and positively or positively connected thereto.
  • a positive connection for example, on the inside of the housing 15 corresponding holding devices such as grooves or projecting webs and on the end cap 23 thus corresponding fastening means such as locking tongues may be formed.
  • FIG. 3 shows the cylindrical housing 15 of the ultrasonic sensor 13 from FIG. 2 in the two end regions, wherein the right half of the housing 15th is cut open so that the inside of the housing is visible.
  • a radially inwardly projecting circumferential shoulder 25 or collar is formed at the front end of the sleeve.
  • a circumferential groove 27 for receiving an O-ring 31 (FIGS. FIG. 4 ) is inserted in the inner wall of the housing 15.
  • the free diameter D2 in the region of the shoulder 25 is smaller and the inner diameter D3 in the region of the groove 27 larger.
  • a further groove or notch 29 is recessed further into the interior wall of the housing 15.
  • the printed circuit boards 19 are guided, for example, by means of a vertically guided displaceable clamping device and pressed with definable pressure forward against the transducer housing 9.
  • the converter housing 9 in turn are pressed in the region of their front edge against the elastically yielding O-rings 31.
  • a hardening casting resin eg an epoxy casting resin
  • another curing adhesive is filled into the housing 15 until the level of the casting resin compound is at least above the notch 29.
  • the housing 15 could also be set in a rotary motion and, instead of or in addition to gravity, a centrifugal force could be used to fill the housing 15. After curing of the casting resin, the clamping device is released again.
  • the Giessharzpfropfen adhere to the inside of the housing and have in the region of the notch 29 at the same time a positive connection with the housing 15.
  • Each ultrasonic transducer 7 is further pressed against the respective O-ring 31, thus forming a close completion of the front of the ultrasonic sensor 13 to the environment.
  • the O-ring 31 is made of an aggressive chemical resistant material such as a fluoroelastomer, perfluoroelastomer or ethylene-propylene terpolymer.
  • the front side of the ultrasonic sensor 13, which can come into contact with aggressive substances, is thus completely protected against damaging effects of such substances.
  • the end cap 23 By sliding the end cap 23 and contacting the contact elements 21 of the ultrasonic sensor 13th completed.
  • this rear end of the ultrasonic sensor 13 could be equipped with improved protection against chemicals.
  • the ultrasonic sensor 13 with its continuous external thread 17 can be easily mounted so that only its protected front side can come into contact with aggressive media.
  • the housing 5 is integrally formed in the region of the receptacle for the ultrasonic transducer 1 and no radially above the housing shell with the external thread 17 protruding parts, and that the end cap 23 does not protrude radially beyond the external thread 17 ,

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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Ultraschallwandler und ein Ultraschallsensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 4 und 9.
  • Ultraschallsensoren, die nach dem Puls-Echo-Prinzip arbeiten, eignen sich zur berührungslosen Erfassung von Objekten innerhalb eines Erfassungsbereichs. Ein Schallwandler bzw. Transducer erzeugt einen Burst bzw. ein kurzes Ultraschall-Wellenpaket. Dieses breitet sich entsprechend der Richtcharakteristik des Transducers in den Raum aus. Befindet sich ein Objekt innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors, wird in der Regel ein Teil der Schallwellen in Richtung des Transducers zurück reflektiert. Nach dem Aussenden des Ultraschallbursts wird der Transducer als Empfänger geschaltet und empfängt das am Objekt reflektierte Echosignal. Die Laufzeit bzw. die Dauer zwischen dem Aussenden des Bursts und dem Empfangen des Echos ist bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium ein Mass für den Abstand des Objekts vom Sensor. Bei Bedarf kann die Temperatur des Ausbreitungsmediums erfasst und z.B. anhand einer Zuordnungstabelle ein Korrekturfaktor berechnet werden, welcher die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium kompensiert. Bei alternativen Ausführungsformen können auch getrennte Sende- und Empfangswandler verwendet werden.
  • Verbreitet werden zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallsignalen piezokeramische Wandler eingesetzt. Eine Anpassschicht dient als akustischer Impedanzwandler zwischen der schallharten Piezokeramikscheibe und dem liquiden oder gasförmigen Ausbreitungsmedium. Die Dicke der Anpassschicht ist so bemessen, dass bei einer Resonanzfrequenz des Schwingungssystems ein möglichst grosser Teil der Schallenergie an das umgebende Medium übertragen wird. Im Idealfall entspricht die Dicke der Anpassschicht etwa einem Viertel der Resonanz-Wellenlänge in der Anpassschicht. In der Praxis haben sich Anpassschichten aus einem Verbund aus einer Epoxid-Matrix mit Mikro-Glashohlkugeln durchgesetzt. Bei Transducern mit derartigen Anpassschichten wird die Piezokeramikscheibe koaxial mit der Anpassschicht verklebt. Dieser Verbund wird z.B. mit einem dämpfenden bzw. Schall absorbierenden PU-Schaum derart umschäumt, dass nur die frontseitige Abstrahlfläche radial frei bleibt.
  • Die DE-A1-3301808 offenbart einen derartigen Wandler mit einer guten Ausschwingdämpfung, wobei an der Rückseite der Anpassschicht zusätzlich ein Beschwerungsring aufgeklebt ist, der ebenfalls in die dämpfende Schaumumhüllung eingebettet ist.
  • Bei einem Ultraschallwandler gemäss DE-A1-4228345 umfasst die Anpassschicht für die Anpassung an ein flüssiges Ausbreitungsmedium Glasvollkugeln anstelle von Glashohlkugeln. Bei diesem Wandler ist lediglich eine Bedämpfung auf der Rückseite der Anpassschicht und der Piezokeramikscheibe vorgesehen.
  • Die EP-A2-260965 offenbart ein Herstellverfahren für einen Ultraschallsensor, wobei eine Membran durch ein verformbares Entkopplungsmedium von einem Gehäuse entkoppelt wird.
  • Beim Einsatz von Ultraschallsensoren mit derartigen Schallwandlern in aggressiven Medien wie z.B. mit Lösungsmittel oder Säureanteilen belasteter Luft besteht die Gefahr, dass die Anpassschicht und/oder andere Teile des Sensors aufgeweicht, angegriffen oder gar zerstört werden.
  • Die Chemikalienresistenz von Ultraschallsensoren kann z.B. dadurch verbessert werden, dass eine Folie aus Teflon auf die Frontseite des Wandlers aufgeklebt wird, und dass derartige Wandler in ein Sensorgehäuse aus hoch legiertem Stahl oder aus Teflon eingebaut werden. Das Aufkleben einer solchen Schutzschicht auf die Anpassschicht (und gegebenenfalls auf den die Anpassschicht ummantelnden Dämpfungsring) mittels eines Klebstoffs können die Abstrahleigenschaften und die Dämpfungseigenschaften des Wandlers massiv verschlechtern. Im Weiteren besteht die Gefahr, dass sich die Verklebung aufgrund mechanischer und thermischer Einwirkungen verändern oder gar lösen kann. Dies gilt insbesondere für Teflon und teflonähnliche Materialien, welche sich schlecht verkleben lassen. Ein Schutz des Wandlergehäuses, welches den Schwingkörper und die Dämpfmasse topfartig ummantelt, kann durch die frontseitig auf den Wandler aufgeklebte Teflonfolie nicht erreicht werden.
  • Aus der DE-A1-19742 294 A1 ist ein Ultraschallwandler bekannt, der ein Gehäuse aus einem Epoxydverbundwerkstoff umfasst, wobei mindestens eine Schallankopplungsfläche dieses Gehäuses mit einer Paryleneschicht überzogen ist. Das Gehäuse umfasst radial hervorragende Noppen, die in einer Nut an einer elastischen Wand einer nicht näher definierten Aufnahme befestigt sind. Zur Verhinderung des Eindringens von Schmutz kann der Zwischenraum zwischen der elastischen Wand und dem Gehäuse mit einem verdrängenden Material ausgefüllt sein. Das verdrängende Material ist nicht durch die Schutzschicht überdeckt und der Umwelt ausgesetzt.
  • Die EP-A-1430838 zeigt einen Ultraschallwandler für spektrographische medizinische Anwendungen, wobei dieser Wandler innerhalb einer Haube in einer akustischen Übertragungsflüssigkeit drehbar gelagert ist. Der Wandler umfasst eine zylindrische Piezokeramikscheibe mit einem rückseitig aufgeklebten Dämpfkörper und einer frontseitig aufgeklebten Anpassschicht. Frontseitig ist eine konkav gewölbte akustische Linse auf die Anpassschicht aufgeklebt. Die so verklebten Elemente bilden einen zylindrischen Stapel, dessen Mantelfläche im Bereich des Dämpfkörpers, der Piezokeramik und der Anpassschicht von einem Halter ohne zusätzliche Dämpfung umklammert wird. Dieser Halter ist mit einer drehbar gelagerten Welle verbunden. Wandler und Halter sind mit einer Paryleneschicht überzogen, welche das Eindringen von Übertragungsflüssigkeit verhindert.
  • Aus der US-A-5488957 ist eine weitere Verwendung von Parylene bei einem Ultraschallwandler bekannt, wobei diese als Zwischenschicht zum Verbinden einer Silikonschicht auf einer akustischen Anpassschicht des Wandlers dient.
  • Bei herkömmlichen Ultraschallsensoren mit rohr- oder hülsenartigen Gehäusen und mit erhöhtem Schutz gegen aggressive Umgebungsmedien ist es bekannt, den Wandler und die zugehörige Sensorelektronik von der Frontseite her in eine hoch legierte Stahlhülse einzuschieben und frontseitig mittels eines die Stahlhülse radial überragenden Kopfteils zu halten bzw. festzuklemmen. Das Gehäuse, welches den Wandler und die Elektronik ummantelt, ist also mehrteilig und hat im Bereich des Sensorkopfs mit dem Wandler einen grösseren Aussendurchmesser. Dadurch werden die Möglichkeiten zur Montage des Sensors stark eingeschränkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler und einen Ultraschallsensor mit verbessertem Schutz gegen aggressive Chemikalien und guten Dämpfungseigenschaften zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Mittel zum Schutz des Ultraschallwandlers und des Ultraschallsensors so auszubilden, dass der Ultraschallsensor einfach montiert werden kann.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Ultraschallwandler und durch einen Ultraschallsensor sowie durch ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1, 4 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Anhand einiger beispielhafter Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch einen Ultraschallwandler,
    Figur 2
    einen zylindrischen Ultraschallsensor,
    Figur 3
    eine Detailansicht der Endbereiche des einseitig aufgeschnittenen Gehäuses des Ultraschallsensors aus Figur 2,
    Figur 4
    einen Längsschnitt durch den Ultraschallsensor aus Figur 2 im Bereich des Ultraschallwandlers.
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Ultraschallwandler 1, kurz auch Wandler oder Transducer genannt. Er umfasst als Schwingkörper eine beidseitig metallisierte Piezokeramikscheibe 3, welche koaxial mit einer zylinder- oder scheibenartigen Anpassschicht 5 mit gleichem oder grösserem Durchmesser verklebt ist. Der Verbund aus Piezokeramikscheibe 3 und Anpassschicht 5 ist mit Ausnahme einer frontseitigen Abstrahlfläche 8 innerhalb eines dosen- oder topfartigen Wandlergehäuses 9 in einen Dämpfkörper 7, beispielsweise einen Polyurethanschaum, eingebettet. Das Wandlergehäuse 9 ist vorzugsweise ein mindestens teilweise metallbeschichtetes Kunststoffgehäuse oder ein metallisches Gehäuse, welches als elektromagnetische Abschirmung für die Piezokeramikscheibe 3 genutzt werden kann. Die Metallisierungen bzw. Elektroden der Piezokeramikscheibe 3 sind z.B. mittels gebondeter oder gelöteter Litzen oder Kabel mit Kontaktstellen am Wandlergehäuse 9 verbunden (nicht dargestellt). Alternativ können auch mit den Elektroden verbundene Anschlusskabel durch Öffnungen an der Rückseite des Wandlergehäuses 9 aus diesem herausgeführt sein (nicht dargestellt). Mindestens die Frontseite des Wandlers, vorzugsweise jedoch auch dessen seitliche Mantelfläche und eventuell dessen Rückseite sind mit einer dünnen Paryleneschicht 11 überzogen. Solche Paryleneschichten 11 können im Vakuum durch Kondensation aus der Gasphase als porenfreier und transparenter Polymerfilm auf nahezu beliebige Substrate wie z.B. Metall, Glas, Papier, Lack Kunststoff, Keramik, Ferrit und Silikon aufgetragen werden. Die Paryleneschicht 11 kann z.B. eine Dicke d in der Grössenordnung von etwa 0.5 Mikrometern bis etwa 200 Mikrometern aufweisen. Vorzugsweise ist die Schichtdicke d etwa 5µm bis etwa 50µm stark, beispielsweise etwa 10µm. Solche Schichtdicken können in einem Arbeitsgang auf dem Wandler abgeschieden werden. Parylene hat eine hohe Spaltgängigkeit und geht an der Oberfläche des Wandlers ohne zusätzliche Klebeschicht eine innige Verbindung mit der Anpassschicht 5, dem Dämpfkörper 7 und dem Wandlergehäuse 9 ein. Die Abscheidung bzw. Beschichtung erfolgt im Vakuum bei Raumtemperatur. Bei piezokeramischen Schwingkörpern besteht also keine Gefahr, dass die Curietemperatur überschritten werden könnte. Die Schutzschicht aus Parylene ist so dünn und gleichmässig, dass sie die akustischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers 1 nicht oder nur unwesentlich beeinflussen kann.
  • Ein derart gegen aggressive Chemikalien geschützter Ultraschallwandler 1 kann in einen Ultraschallsensor 13 eingebaut sein, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Im Übrigen ist eine Beschichtung aus Parylene biostabil und biokompatibel. Mit Parylene beschichtete Wandler oder Ultraschallsensoren 13 können somit problemlos auch im Lebensmittelbereich eingesetzt werden. Für solche Anwendungen könnte anstelle des Ultraschallwandlers 1 auch der Ultraschallsensor 13 vollständig oder zumindest im Bereich des Wandlers mit Parylene beschichtet werden. Die Parylenebeschichtung 11 ist temperaturbeständig bis etwa 220°C, verändert also ihre Eigenschaften bei realistischen Arbeitstemperaturen bis zu 100°C kaum. Im Weiteren ist Parylene ein hervorragender elektrischer Isolator mit hoher Spannungsfestigkeit. Dies ermöglicht Anwendungen mit erhöhten Anforderungen betreffend Explosionsschutz.
  • Der Ultraschallsensor 13 umfasst ein rohr- oder hülsenförmiges Gehäuse 15. Das Gehäuse 15 ist aus einem gegen aggressive Medien wie z.B. Säuren oder Lösungsmittel beständigen Material wie z.B. hoch legiertem Stahl oder Teflon gefertigt oder weist eine entsprechende Schutzschicht an seiner Oberfläche auf. Das Gehäuse 15 ummantelt an seinem frontseitigen Ende den Ultraschallwandler 1 und ist zumindest im Bereich dieses Wandlers 1 einstückig ausgebildet und umfasst an seiner äusseren Mantelfläche ein Aussengewinde 17, welches sich vorzugsweise über die gesamte Länge 1 der Mantelfläche erstreckt. Eine am Wandlergehäuse 9 befestigte Leiterplatte 19 mit der Sensorelektronik wird ebenfalls mindestens teilweise vom Gehäuse 15 ummantelt. Die elektrische Verbindung zwischen der Sensorelektronik und dem Wandler 1 kann z.B. mittels Kontaktstiften oder Kontakten mit Feder- oder Schneidklemmen oder mittels an Kontaktstellen auf der Leiterplatte 19 festgelöteten Litzen erfolgen (nicht dargestellt). Im Beispiel von Figur 2 umfasst das hintere Ende der Leiterplatte 19 Kontaktelemente 21 für einen Steckeranschluss und überragt das rückseitige Ende des Gehäuses 15. Eine Abschlusskappe 23 aus Kunststoff ist von hinten her in das Gehäuse 15 eingesteckt und kraft- oder formschlüssig mit diesem verbunden. Im Falle einer formschlüssigen Verbindung können z.B. an der Innenseite des Gehäuses 15 entsprechende Haltevorrichtungen wie Nuten oder vorstehende Stege und an der Abschlusskappe 23 damit korrespondierende Befestigungsmittel wie z.B. Rastzungen ausgebildet sein. Die Abschlusskappe 23 bildet zugleich zusammen mit den Kontaktelementen 21 oder den Kontaktelementen 21 verbindbaren Kontakten den Steckeranschluss. Selbstverständlich kann die Schnittstelle des Sensors 13 auch anders ausgebildet sein. Figur 3 zeigt das zylindrische Gehäuse 15 des Ultraschallsensors 13 aus Figur 2 in den beiden Endbereichen, wobei die rechte Hälfte des Gehäuses 15 aufgeschnitten ist, sodass das Gehäuseinnere sichtbar ist. Am vorderen Hülsenende ist ein radial nach innen ragender umlaufender Absatz 25 oder Kragen ausgebildet. Unmittelbar daran anschliessend folgt ein dünnwandiger Gehäuseabschnitt, wobei eine umlaufende Nut 27 zur Aufnahme eines O-Rings 31 (Figur 4) in die Innenwand des Gehäuses 15 eingelassen ist. Bezogen auf den Innendurchmesser D1 des Gehäuses 15 ist der freie Durchmesser D2 im Bereich des Absatzes 25 kleiner und der Innendurchmesser D3 im Bereich der Nut 27 grösser.
    Etwas beabstandet von der ersten Nut 27 ist weiter hinten eine weitere Nut oder Kerbe 29 in die Innenwand des Gehäuses 15 eingelassen.
    Bei der Montage des Ultraschallsensors 13 wird zuerst der O-Ring 31 in die Nut 27 vorne am Sensorgehäuse 15 eingelegt. Danach werden der Ultraschallwandler 1 und die damit verbundene Leiterplatte 19 mit der Sensorelektronik von hinten her in das Gehäuse 15 eingeschoben. Figur 4 zeigt ein Detail eines Längsschnittes durch einen solchen Ultraschallsensor 13 im Bereich des Ultraschallwandlers 1. Ein oder mehrere so vorbereitete Gehäuse 15 werden anschliessend in einer Montagevorrichtung (nicht dargestellt) mit der Frontseite nach unten gehalten. Von oben her werden die Leiterplatten 19 z.B. mittels einer vertikal geführt verschiebbaren Klemmvorrichtung geführt und mit festlegbarem Druck nach vorne gegen die Wandlergehäuse 9 gedrückt. Die Wandlergehäuse 9 wiederum werden im Bereich ihres frontseitigen Randes gegen die elastisch nachgebenden O-Ringe 31 gepresst. Von oben her wird ein aushärtendes Giessharz (z.B. ein Epoxy-Giessharz) oder ein anderer aushärtender Klebstoff in die Gehäuse 15 eingefüllt, bis das Niveau der Giessharzmasse mindestens oberhalb der Kerbe 29 liegt. Alternativ könnten die Gehäuse 15 auch in eine Drehbewegung versetzt und anstelle oder zusätzlich Gravitation eine Zentrifugalkraft zum Befüllen der Gehäuse 15 genutzt werden. Nach dem Aushärten des Giessharzes wird die Klemmvorrichtung wieder gelöst. Die Giessharzpfropfen haften an der Gehäuseinnenseite und haben im Bereich der Kerbe 29 zugleich eine formschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse 15. Jeder Ultraschallwandler 7 wird weiterhin gegen den jeweiligen O-Ring 31 gedrückt und bildet so einen dichten Abschluss der Frontseite des Ultraschallsensors 13 zur Umgebung hin. Zum Befestigen oder Halten des Ultraschallwandlers 1 sind somit keine weiteren Gehäuseteile erforderlich. Der O-Ring 31 ist aus einem gegen aggressive Chemikalien resistenten Material wie z.B. einem Fluorelastomer, Perfluorelastomer oder einem Ethylene-Propylene Terpolymer hergestellt. Die Frontseite des Ultraschallsensors 13, welche mit aggressiven Stoffen in Kontakt kommen kann, ist somit vollständig gegen schädigende Einflüsse solcher Stoffe geschützt.
    Durch Aufschieben der Abschlusskappe 23 und Kontaktieren der Kontaktelemente 21 wird der Ultraschallsensor 13 vervollständigt. Selbstverständlich könnte auch dieser rückseitige Abschluss des Ultraschallsensors 13 mit einem verbesserten Schutz gegenüber Chemikalien ausgerüstet sein. In der Regel ist dies aber nicht erforderlich, da sich der Ultraschallsensor 13 mit seinem durchgehenden Aussengewinde 17 einfach so montieren lässt, dass nur dessen geschützte Frontseite mit aggressiven Medien in Berührung kommen kann. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das Gehäuse 5 im Bereich der Aufnahme für den Ultraschallwandler 1 einstückig ausgebildet ist und keine radial über den Gehäusemantel mit dem Aussengewinde 17 vorstehenden Teile aufweist, und dass auch die Abschlusskappe 23 radial nicht über das Aussengewinde 17 hinausragt.

Claims (9)

  1. Ultraschallwandler (1), umfassend einen Schwingkörper und eine mit dem Schwingkörper verbundene Anpassschicht (5) zur akustischen Impedanzanpassung an ein Umgebungsmedium, wobei der Verbund aus Schwingkörper und Anpassschicht (5) derart in einen Dämpfkörper (7) eingebettet ist, dass er vom Dämpfkörper (7) ummantelt ist und frontseitig eine freie Abstrahlfläche (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die dem Umgebungsmedium zugewandte, die freie Abstrahlfläche (8) der Anpassschicht (5) umfassende Frontseite des Ultraschallwandlers (1) mit Parylene beschichtet ist.
  2. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, wobei der Dämpfkörper (7) so in ein becherartiges Wandlergehäuse (9) eingebettet ist, dass die Abstrahlfläche (8) frei ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontseite des Ultraschallwandlers (1) mit der Abstrahlfäche (8) und mindestens ein Teil der Oberfläche des Wandlergehäuses (9) mit einer zusammenhängenden Paryleneschicht (11) beschichtet sind.
  3. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Parylene ohne zusätzliche Haft- oder Klebemittel direkt an den jeweiligen Oberflächen haftet.
  4. Ultraschallsensor (13) mit einem hülsen- oder röhrenartigen Gehäuse (15) und einem vom Gehäuse (15) ummantelten Ultraschallwandler (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) an seinem vorderen Ende einen bezüglich der Gehäuseachse radial nach innen ragenden Absatz (25) aufweist, und dass der freie Durchmesser D2 des Gehäuses (15) im Bereich dieses Absatzes (25) kleiner ist als der Innendurchmesser D1 des Gehäuses (15).
  5. Ultraschallsensor (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) unmittelbar hinter dem Absatz (25) eine in die Innenwand des Gehäuses (15) eingelassene umlaufende Nut (27) umfasst.
  6. Ultraschallsensor (13) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) von hinten her gegen einen am Absatz (25) anstehenden elastischen Ring (31) gepresst und durch einen kraft- und/oder formschlüssig mit dem Gehäuse (15) verbundenen Pfropfen gehalten wird.
  7. Ultraschallsensor (13) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse. (15) zumindest im Bereich des Ultraschallwandlers (1) einstückig ausgebildet ist.
  8. Ultraschallsensor (13) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) ein Aussengewinde (17) umfasst, welches sich über die gesamte Länge 1 der äusseren Mantelfläche des Gehäuses (15) erstreckt.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (13) nach einem der Ansprüche 4 bis dadurch gekennzeichnet, dass ein elastischer Ring (31) im Bereich des Absatzes (25) in das Gehäuse (15) eingelegt wird, dass der Ultraschallwandler (1) und die Leiterplatte (19) mit der Sensorelektronik von der hinteren Öffnung her in das Gehäuse (15) eingeschoben werden, dass das Gehäuse (15) so ausgerichtet wird, dass der Ultraschallwandler (1) unten liegt, dass der Ultraschallwandler (1) gegen den elastischen Ring (31) gepresst und ein aushärtendes Giessharz in das Gehäuse (15) gefüllt wird, und dass das Giessharz nach dem Aushärten einen Pfropfen bildet, welcher den Ultraschallwandler (1) in seiner Lage festhält.
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