專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波探頭的制作方法
眾所周知，帶探頭的壓電變換器可用在超聲波加工中?；瘜W(xué)家和微生物學(xué)家一直都在采用這種變換器產(chǎn)生高強(qiáng)度的空化作用，供均化難以進(jìn)行的化合反應(yīng)、斷裂細(xì)胞、萃取、粉碎粒子、凈化、加速化學(xué)反應(yīng)，以及還有其它許多用途。
具有針形探頭的這類(lèi)變換器也是眾所周知的，它主要用以清洗小孔。
有時(shí)候需要用一個(gè)能快速處理小型樣品的探頭。這種探頭可與檢定化學(xué)結(jié)合使用，用以在石油和天然氣的生產(chǎn)和冷卻過(guò)程中以及在廢水處理系統(tǒng)中和在紙漿及紙張生產(chǎn)過(guò)程中分析有無(wú)還原硫酸鹽的細(xì)菌存在。
在采用直徑小于約0.08英寸(0.2厘米)的一般探頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們所產(chǎn)生的空化作用在許多小體積范圍的應(yīng)用中難以產(chǎn)生預(yù)期的效果。這是由于分散了探頭尖端處聲場(chǎng)的邊緣效應(yīng)起支配作用從而使聲強(qiáng)不能超過(guò)產(chǎn)生空化作用所需要的閾值所致。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，直徑小于0.08英寸(0.2厘米)的超聲波探頭，如果其尖端表面具有能使聲場(chǎng)聚焦的凹面就可以大大增強(qiáng)它所產(chǎn)生的空化作用，從而解決了邊緣效應(yīng)分散聲場(chǎng)的問(wèn)題。所謂凹面是指探頭尖端表面上淺淺的凹陷。這種凹面可以是徑向?qū)ΨQ(chēng)的凹面，例如球面、拋物面、橢球面或錐形面等，也可以是單軸向?qū)ΨQ(chēng)的凹面，例如楔形或弧形凹面。
其它對(duì)聲場(chǎng)能起聚焦作用和產(chǎn)生所要求的空化作用的對(duì)稱(chēng)形的凹面也可以采用，但這些凹面更難以制作，所以最好還是不用它們。較理想的凹面是徑向?qū)ΨQ(chēng)的凹面，因?yàn)檫@種凹面最容易加工，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的車(chē)削即可，而且在最后處理工序中(即提高耐磨性的涂覆處理)，它們也是最易于加工的。
小直徑探頭尖端上淺淺的凹面可產(chǎn)生相當(dāng)廣的穩(wěn)定的高強(qiáng)度空化區(qū)，使其容易滿足象快速溶胞作用之類(lèi)的聲化學(xué)處理要求。這一優(yōu)點(diǎn)再加上探頭直徑很小，使本發(fā)明的器件可用于小體積樣品的處理，并可與酵素以及其它熱敏性材料配用，因?yàn)樗恢率箻悠愤^(guò)熱，可以使樣品有效循環(huán)以便均勻處理，并且比直徑較大的探頭所需要的驅(qū)動(dòng)電流小，因而用電池即可使其工作，所以本發(fā)明的器件不難裝入自備電源的手提式小型現(xiàn)場(chǎng)使用的儀器中。
圖1是壓電變換器和探頭結(jié)合在一起的側(cè)視圖。
圖2是探頭尖端的剖面圖，示出徑向?qū)ΨQ(chēng)的凹面，即球面。
圖3和4是探頭尖端的呈錐形凹面的另一剖面圖。
現(xiàn)在參看


本發(fā)明的器件。
圖1示出一般壓電變換器的探頭1。這種探頭可以裝在一個(gè)適當(dāng)?shù)耐鈿ぶ?圖中未示出)。
在本實(shí)施例中，探頭和變換器結(jié)合成一個(gè)元件，它以單個(gè)半波長(zhǎng)的方式諧振，因此有時(shí)稱(chēng)為連體式探頭變換器。在其它實(shí)施例中，它們可以由兩個(gè)元件組成一個(gè)半波長(zhǎng)諧振變換器和一個(gè)半波長(zhǎng)諧振探頭(圖中未示出)。這樣就可以采用不同直徑的探頭尖端。必要時(shí)，變換器可接上大于半波長(zhǎng)的探頭，例如全波長(zhǎng)探頭。
圖1所示器件的變換器部分包括基座2、電極3、壓電晶體4和通過(guò)基座、電極和晶體而擰入探頭1的頂面以便將晶體/電極夾層件夾緊在探頭與基座之間的螺栓(圖中未示出)。電極3把電源(圖中未示出)與壓電晶體4連接起來(lái)。電極可用一般材料制成，例如Be-Cu或鎳，晶體可采用一般晶體，例如鈦酸鋇或鋯酸鈦酸鉛晶體。
探頭1可以用一般材料制成，例如鋁或鈦合金，在一些實(shí)施例中，最好用諸如氧化鉻、氧化鋁、氧化鋁/二氧化鈦合金之類(lèi)或類(lèi)似的耐磨材料處理或涂覆尖端表面5。
在本發(fā)明的器件中，探頭尖端6的直徑小于0.08英寸(0.2厘米)。若直徑大于這個(gè)值，要產(chǎn)生所需的空化作用就不必在尖端表面5上設(shè)凹面。
圖2、3和4示出探頭尖端表面上淺凹面的不同實(shí)施例。圖2中的凹面是球面，而圖3和圖4中的為錐形面。
要產(chǎn)生最佳的空化效應(yīng)，探頭尖端上只需有淺淺的凹面就夠了;事實(shí)上，凹面較深(即它是一個(gè)孔或平底孔)時(shí)，所產(chǎn)生的空化作用反而較差，而且會(huì)因孔過(guò)早地腐蝕而損壞。較理想的空化作用要求設(shè)計(jì)得使凹面?zhèn)缺谂c探頭軸線形成不小于45度的角，以便使尖端表面平行于探頭軸線的振動(dòng)分量盡量增強(qiáng)。凹面開(kāi)口端的直徑或尺寸最好只比尖端直徑或尺寸略小一些，以使對(duì)聲波輻射聚焦的面積盡量增大。
下面舉例說(shuō)明凹面的尺寸。
圖2中，探頭尖端直徑D為0.050英寸，凹面深度d為0.010英寸，球面半徑R為0.020英寸。
圖3中，直徑D保持不變，而深度d為0.008英寸，角a為60度。圖4中，D仍然不變，而d為0.012英寸，a為45度。
應(yīng)該理解的是，這些尺寸僅僅是舉例而已，還可以舉出其它許多例子，這通常由形成凹面的方法而定。
探頭表面上的凹面可用一般機(jī)械加工方法形成，例如車(chē)削、磨削、鏜孔或電火花加工等。
本發(fā)明的器件可按一般方式進(jìn)行操作，即采用20至120千赫的頻率，取決于器件的尺寸和所需的功率。小型樣品聲化學(xué)處理較理想的頻率范圍是40至70赫。
本發(fā)明的器件適用于任何采用超聲波處理的場(chǎng)合。從該器件的特點(diǎn)來(lái)看，它特別適用于快速處理熱敏性小型樣品。因此它可在用免疫檢定法檢測(cè)時(shí)用來(lái)溶化能還原硫酸鹽的細(xì)菌。在這種用場(chǎng)中，它可裝在有自備電源和檢定化學(xué)系統(tǒng)的小型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器中，用以分析石油和天然氣生產(chǎn)中的生物腐蝕問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種用以產(chǎn)生空化作用的具有一探頭的壓電變換器，其特征在于，其改進(jìn)的內(nèi)容包括，所述探頭尖端的直徑小于0.08英寸(0.2厘米)，并且該尖端表面有一凹面。
2.如權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述凹面是徑向?qū)ΨQ(chēng)的。
3.如權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述凹面是單軸向?qū)ΨQ(chēng)的。
4.如權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述變換器的頻率范圍為20至120千赫。
全文摘要
一種具有小直徑探頭、探頭的尖端表面具有一凹面的壓電變換器，可用以改進(jìn)空化作用。
文檔編號(hào)G01R1/00GK1047224SQ90103650
公開(kāi)日1990年11月28日 申請(qǐng)日期1990年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月15日
發(fā)明者哈羅德·弗朗西斯·斯湯頓 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司