專利名稱：超聲波轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)壓電陶瓷體的超聲波轉(zhuǎn)換器，用于在一液體或氣體傳播介質(zhì)中發(fā)射和接收超聲波，優(yōu)選用于超聲波近似開(kāi)關(guān)中。
在許多出版物上已公開(kāi)了同類的超聲波轉(zhuǎn)換器。在超聲波近似開(kāi)關(guān)和遠(yuǎn)距傳感器中使用超聲波轉(zhuǎn)換器時(shí)，首先要求較窄的采集特性。這樣，可以準(zhǔn)確地識(shí)別物體，而旁側(cè)的干擾反射因素(例如在鄰近區(qū)域或在狹窄行程)則如所希望的那樣不影響傳感功能。為此需要具有非常窄的聲波瓣特性和同時(shí)非常小的側(cè)波瓣幅度的超聲波轉(zhuǎn)換器。
在DE 2541492 C2中公開(kāi)了一種薩杜恩幾何結(jié)構(gòu)(Satumgeometrie)的定位準(zhǔn)確的超聲波轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器普遍用于工業(yè)過(guò)程的超聲波傳感器中。這種超聲波轉(zhuǎn)換器由一個(gè)壓電陶瓷片、一個(gè)適配層片和一個(gè)同心的金屬環(huán)組成。由于適配層片的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷片的直徑，因此適配層的面積較大，由此可獲得聲波瓣的一個(gè)極窄的角度值為5°的開(kāi)角φ。由于適配層片遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出壓電陶瓷片，所以在實(shí)際應(yīng)用中很難在整體面積上始終精確保持有利的振幅分布和相位，這就導(dǎo)致了側(cè)邊旁瓣的問(wèn)題。
此外已知一種具有一壓電陶瓷片和一硅適配層的超聲波轉(zhuǎn)換器(US專利3928777)。適配層的直徑略大于壓電陶瓷片的直徑，因此相應(yīng)的聲波瓣開(kāi)角φ的值10-12°也相當(dāng)大。旁瓣的阻尼超過(guò)-25dB，該值極小，因而在實(shí)際應(yīng)用中不起任何作用。適配層材料硅由于其較差的化學(xué)穩(wěn)定性不能用于各種應(yīng)用情況，而且其機(jī)械特征參數(shù)呈現(xiàn)嚴(yán)重的溫度漂移。
在WO 94/05004中公開(kāi)了一種在適配層片中具有側(cè)槽的超聲波轉(zhuǎn)換器。如薩杜恩幾何結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器一樣，該適配層由堅(jiān)固耐用的合成泡沫組成。這種結(jié)構(gòu)與硅轉(zhuǎn)換器相同，都不存在旁瓣。由于其適配層僅略超出陶瓷片，故聲波瓣開(kāi)角φ的值10-12°也與后者相同。
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有極窄主瓣開(kāi)角的上述種類的超聲波轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器同時(shí)具有盡可能小的旁瓣振幅，因此在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)對(duì)真正的目標(biāo)采集產(chǎn)生干擾。這是因?yàn)楫?dāng)旁瓣振幅不能保持足夠小時(shí)，無(wú)意采集到的側(cè)面干擾物會(huì)使目標(biāo)采集失真或造成目標(biāo)采集困難。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，壓電陶瓷體至少在其兩個(gè)基面之一與一個(gè)聲速大于該壓電陶瓷體的盤形材料體連接成一個(gè)復(fù)合體，該復(fù)合體的橫向振動(dòng)方式的諧振頻率高于壓電陶瓷體的諧振頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在一個(gè)升高頻率的橫向模式時(shí)并且當(dāng)用基面之一作為聲幅射層時(shí)，由此得到的橫向模式時(shí)的諧振頻率的升高(該橫向模式是垂直于盤形復(fù)合體的厚度方向位于隔離運(yùn)行的陶瓷體的對(duì)面的方向)使聲波瓣開(kāi)口角φ變窄。這里，盤形體指這樣的扁平體，其在兩個(gè)方向的尺寸大于第三個(gè)稱為盤厚度方向的尺寸。對(duì)一個(gè)平面平行的盤而言，只有一個(gè)統(tǒng)一的盤厚度。復(fù)合體中各盤形體的厚度至少以系數(shù)2小于其構(gòu)成盤的上下基面的橫向尺寸。
本發(fā)明的有益擴(kuò)展結(jié)構(gòu)見(jiàn)附屬權(quán)利要求2至10。
當(dāng)用圓形壓電陶瓷片作為壓電陶瓷體以及用圓形材料片作為材料體時(shí)，可得到一種有益的實(shí)施形式。這種形式產(chǎn)生一種在多種應(yīng)用中有益的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的聲波瓣。此外，可以采用平面模式的基波振蕩或高效的徑向振蕩作為有效的轉(zhuǎn)換器運(yùn)行模式。
對(duì)某些應(yīng)用情況，當(dāng)壓電陶瓷片和/或材料體具有長(zhǎng)方形或正方形基面時(shí)，則特別有利。這種結(jié)構(gòu)例如在沿轉(zhuǎn)換器中軸的兩個(gè)相互垂直的平面上產(chǎn)生具有不同開(kāi)角φ的象散聲波瓣形式。這里采用例如有效的橫向模式之一(即長(zhǎng)方形形式的縱向尺寸或橫向尺寸)作為振蕩模式。
當(dāng)采用至少兩個(gè)壓電陶瓷體和至少兩個(gè)材料體交替連接形成復(fù)合體時(shí)，則得到一種有利的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用多個(gè)較薄的盤體代替較少的較厚的盤體可以得到壓電陶瓷體和材料體的較好的混合結(jié)果和機(jī)械材料特性的均勻分布，因此即使在材料體的比例相同時(shí)也能得到較高的聲速。另一種可能有益的方法是，將多種不同的材料體材料和/或壓電陶瓷體材料應(yīng)用于一個(gè)多層復(fù)合體中。
為了更好地適配周圍的聲傳播介質(zhì)中的聲波阻尼，復(fù)合體至少具有一個(gè)適配層，其波阻尼位于復(fù)合體的波阻尼和傳播介質(zhì)的波阻尼之間。適配層的厚度最好約為超聲波轉(zhuǎn)換器的工作頻率波長(zhǎng)的四分之一。合成泡沫適合作為適配層材料，這種合成泡沫由一個(gè)合成樹(shù)脂陣列(例如環(huán)氧樹(shù)脂)組成，其中，該樹(shù)脂陣列由玻璃、陶瓷或類似物組成的空心體填充。此外，例如輕材料(如氣凝膠)或橡膠狀彈性的材料(如硅膠)也適合作為適配層材料。
最好為圓形復(fù)合體片配置圓形的適配層片。如果將適配層片作成其直徑等于復(fù)合體直徑或偏離復(fù)合體直徑25％以內(nèi)，在對(duì)復(fù)合體和適配層體的元件的直徑值和厚度值進(jìn)行微調(diào)后，不需在適配層的外部聲輻射基層上增加結(jié)構(gòu)上的輔助材料，就可獲得一個(gè)振蕩頻率和振蕩相位的分布，該分布產(chǎn)生非常窄的具有極小旁瓣振幅的聲波瓣。
超聲波轉(zhuǎn)換器的另一種有益的實(shí)施形式是為片形的適配層的外殼表面和/或其內(nèi)部基面設(shè)置合適的輪廓。該輪廓例如由至少一個(gè)凹穴和/或一個(gè)突出組成，其例如具有一圓形的、三角形的、長(zhǎng)方形的或梯形的截面。該合適的輪廓也可簡(jiǎn)單由下列形式構(gòu)成適配層片的側(cè)外殼表面的截面呈直線或曲線的傾斜形狀，使得適配層的內(nèi)基面和外基面具有不同的大小。合適的輪廓也可位于適配層的內(nèi)基面上，在此處，它們可以具有例如同心槽的形式。借助這些附加措施可以以確切的方式預(yù)調(diào)所期望的轉(zhuǎn)換器特性，如特定的適合于實(shí)際應(yīng)用的聲波瓣形式。
另外一種有利的實(shí)施形式是將適配層作成圓柱形片，其直徑大于復(fù)合體最大直徑的1.25倍，其中適配層超出復(fù)合體直徑的那部分在其(背對(duì)聲幅射表面的)背面上具有一個(gè)由金屬或適配層本身的材料組成的同心的環(huán)形體。在這種結(jié)構(gòu)中，通過(guò)擴(kuò)大幅射面積可以獲得極窄的聲波瓣角并同時(shí)使適配層超出的范圍在很大程度上與中心范圍同相位振蕩。就此而言，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器與薩杜恩幾何結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器相同，在后者中，適配層的超出范圍在其(位于前輻射基面對(duì)面的)背面上也具有一個(gè)由金屬組成的同心的環(huán)形體。
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形式，附圖中

圖1為一圓柱體形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)超聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，其具有一個(gè)圓形壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的兩面各由一個(gè)圓形材料體片所包圍；圖2為一圓形超聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，其具有一材料體層，一壓電陶瓷層和一適配層片；圖3為一圓形超聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，包括一壓電陶瓷片，一材料體片和一適配層片，適配層片的外殼表面具有合適的輪廓；圖4為一圓形超聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，包括一分別由兩個(gè)壓電陶瓷片和兩個(gè)材料體片組成的多層復(fù)合體，和一個(gè)適配層片；圖5示出在相當(dāng)于圖1中的對(duì)稱復(fù)合體中有效聲速和材料體百分比之間的關(guān)系曲線；圖6為一個(gè)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)的超聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，包括一壓電陶瓷片、一材料體片、一適配層片，適配層片遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出壓電陶瓷片且在適配層片的背面上具有同心的金屬環(huán)。
圖1示出一典型的超聲波轉(zhuǎn)換器1，其包括一個(gè)作為壓電陶瓷體的具有圓形的平面平行的基面的壓電陶瓷片2，該壓電陶瓷體的兩個(gè)端面與一個(gè)作為材料體的材料片3相連。如圖所示，接觸線5、6將激勵(lì)電壓7連接到此處未示出的壓電陶瓷片2的端面電極表面，在電激勵(lì)作用下，壓電陶瓷片2產(chǎn)生徑向平面振蕩。具有徑向振蕩方向的平面模式和截面模式的諧振頻率由片的直徑和壓電材料的聲速確定，對(duì)于較薄的片，其計(jì)算公式為fp＝2*CD(π*d)，其中fp＝平面串聯(lián)諧振頻率，d＝片直徑，CD＝膨脹波的聲速。CD的計(jì)算公式如下CD=E/(ρ*(1-μ2))]]>其中，E＝彈性模數(shù)，ρ＝密度，μ＝泊松數(shù)。
當(dāng)直徑固定時(shí)，諧振頻率由壓電材料的聲速?zèng)Q定。通過(guò)將壓電陶瓷片2與具有比壓電陶瓷片2較高聲速的材料片3結(jié)合為一復(fù)合體可以獲得一個(gè)比壓電陶瓷片2的聲速較高的有效聲速，該有效聲速位于壓電陶瓷體的聲速和材料體的聲速之間，因此當(dāng)直徑不變時(shí)，復(fù)合體的平面模式的基波諧頻比隔離工作的壓電陶瓷片2的諧波頻率有所提高，這樣就減小了發(fā)射的超聲波的主瓣開(kāi)角φ。這是因?yàn)橄率鲫P(guān)系成立發(fā)射面積與發(fā)射到周圍介質(zhì)的聲波的波長(zhǎng)比例越大，φ就越小。
目前常用的由鉛-鋯酸鹽-鈦酸鹽復(fù)合物(PZT)組成的復(fù)合陶瓷片具有最大值為約3500m/s的膨脹波聲速，鈦酸鋇陶瓷具有較高的聲速，但由于其居里溫度較低在許多工業(yè)應(yīng)用中不能使用。采用本發(fā)明的方法，由壓電陶瓷和材料體組成的復(fù)合體可產(chǎn)生一種的具有更高聲速和諧振頻率的人工“壓電體”。具有高聲速的材料均可作為材料體。這些材料主要是硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅或氧化鋁。在各材料中，鈹?shù)穆曀偌s為12600m/s。特制的合金鋼、鎳合金，如因科鎳、鈦和鋁等同樣具有高的聲速。材料體的另一材料特性是其機(jī)械振蕩品質(zhì)，如果要求轉(zhuǎn)換器具有較高的聲接收性能，則選擇具有較高振蕩品質(zhì)的材料。如果轉(zhuǎn)換器的波帶較寬，則采用低振蕩品質(zhì)的材料。
通過(guò)將壓電陶瓷材料體與材料體組合可以顯著提高復(fù)合體的有效聲速和由此提高平面諧振頻率。例如若采用直徑為23mm、厚度為2mm的PZT片作為壓電陶瓷體，則該片的平面諧振頻率約為86kHz。同樣尺寸的氧化鋁材料片的平面諧振頻率約為282kHz。如果類似圖1的結(jié)構(gòu)，在上述壓電陶瓷片的兩個(gè)基面上各粘貼一個(gè)同心的所述氧化鋁片，則復(fù)合體的平面諧振頻率為191KHz。在示例中，在上述直徑下，PZT片的厚度為0.5mm，氧化鋁片的厚度為2mm，則復(fù)合物的平面諧振頻率為253kHz。當(dāng)PZT片的厚度為0.1mm以及氧化鋁片的厚度為2mm時(shí)，復(fù)合物的平面諧振頻率為275kHz。圖5示出了獲得的平面諧振頻率對(duì)對(duì)稱的復(fù)合物的幾何結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系，該復(fù)合物由具有兩個(gè)等直徑的氧化鋁片和圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)的PZT片構(gòu)成，圖5所示出PZT片的厚度為0.1，0.2，0.5，1，2，3和4mm時(shí)的曲線。當(dāng)復(fù)合物的厚度值較小時(shí)，所獲得的位于PZT諧振和氧化鋁諧振之間的諧振頻率與氧化鋁在復(fù)合物中所占的體積比例成正比，當(dāng)氧化鋁的體積比趨近0％及100％時(shí)，諧振頻率分別趨近于PZT片的諧振頻率及氧化鋁片的諧振頻率。當(dāng)片的厚度值較大時(shí)以及當(dāng)復(fù)合物的總厚度約超過(guò)直徑的三分之一時(shí)，所獲得的頻率偏向較低的頻率。這是因?yàn)檩^厚的片及復(fù)合物的平面模式與厚度模式之間的相互作用導(dǎo)致較差的振蕩耦合。
采用氧化鋁時(shí)，與PZT片相比，復(fù)合物的平面頻率在直徑保持不變時(shí)可增加3倍以上，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膲弘姾穸群筒牧虾穸鹊慕M合，基本上可以無(wú)階地預(yù)調(diào)平面頻率的較小的值(見(jiàn)圖5)。其規(guī)律為材料體本身的自然諧振頻率越高，材料體的相對(duì)比例越高以及壓電片越薄，則復(fù)合物的頻率越高。當(dāng)頻率升高3倍時(shí)，聲波瓣寬度也減小3倍。對(duì)隔離工作的PZT片，當(dāng)開(kāi)角φ的3dB寬度約為12°時(shí)，通過(guò)減小3倍得到一個(gè)波瓣寬度開(kāi)角為4°的φ。當(dāng)采用(聲速大于氧化鋁的)碳化硅或鈹時(shí)，則獲得的諧振頻率也相應(yīng)較高，因此可得到3°的開(kāi)角φ。頻率提高較少的復(fù)合體幾何結(jié)構(gòu)形成相應(yīng)成比例的較寬的聲波瓣，因此通過(guò)簡(jiǎn)單選擇合適的壓電體材料和壓電體厚度及材料體材料和材料體厚度的組合實(shí)際上就能在3°和12°之間無(wú)階實(shí)現(xiàn)波瓣開(kāi)角φ。如常見(jiàn)的方式那樣，按比例放大或縮小便形成具有相同聲波瓣形式的相應(yīng)高或低的工作頻率。
圖2示出一超聲波轉(zhuǎn)換器1，包括一直徑為23mm，厚度為2.5mm的PZT片2，在其背面基層上有一等直徑的3.5mm厚的氧化鋁片3，在其前基層上有一直徑為24mm，厚度為3.2mm的由環(huán)氧化物空心玻璃球混合物構(gòu)成的適配層片4，該示例轉(zhuǎn)換器的在主瓣開(kāi)角φ為6°和旁瓣阻尼比-25dB好時(shí)，其工作頻率為160KHz。圖3示出一轉(zhuǎn)換器1，包括一PZT片2，在其一個(gè)基面上設(shè)有材料體片3，該材料體片與一適配層片4結(jié)合，適配層片的外殼面積具有適配的輪廓8。對(duì)于圖2和圖3所示的幾何結(jié)構(gòu)，PZT片和氧化鋁片的厚度最好位于片直徑的5％和20％之間。
圖4示出一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的圓柱形超聲波轉(zhuǎn)換器1，包括一由兩個(gè)PZT片2和兩個(gè)氧化鋁片3組成的多層復(fù)合體。在上部的PZT片上設(shè)有一個(gè)由環(huán)氧化物空心玻璃球混合物組成的適配層片4。對(duì)于這種多層復(fù)合物或具有更多層的類似結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片和材料體片的厚度宜為片直徑的0.5％至15％之間。該示例的轉(zhuǎn)換器1的各片具有統(tǒng)一的直徑23mm。兩個(gè)PZT片2的直徑分別為0.5mm，氧化鋁片3的厚度為1mm，適配層4的厚度為2.1mm。轉(zhuǎn)換器的工作頻率為265KHz，其主瓣寬度φ為4°，旁瓣阻尼優(yōu)于-30dB。
圖6示出一個(gè)超聲波轉(zhuǎn)換器1，其結(jié)構(gòu)類似薩杜恩幾何結(jié)構(gòu)，包括一PZT片2，一等直徑的材料片3和一個(gè)由環(huán)氧化物玻璃空心球混合物構(gòu)成的直徑明顯大于PZT-材料體-混合物2，3的適配層片4。為使適配層片4超出的外部與中心部分同相位振蕩，在適配層4的超出部分的背面(該背面與發(fā)射聲波的前基面相背)安裝了同心的環(huán)形孔狀金屬片9。通過(guò)該顯著擴(kuò)大的發(fā)射面積可以使聲波瓣的開(kāi)角φ達(dá)到3°以下并接近2°。
權(quán)利要求
1.一種超聲波轉(zhuǎn)換器(1)，它具有至少一個(gè)片狀壓電陶瓷體(2)，所述壓電陶瓷體各具有一個(gè)上基面和一個(gè)下基面，用于在液體或氣體傳播介質(zhì)中發(fā)射超聲波，優(yōu)選應(yīng)用于近似開(kāi)關(guān)中，其特征在于，所述壓電陶瓷體(2)至少在其兩個(gè)基面之一與一個(gè)聲速大于壓電陶瓷片(2)的聲速的片狀材料體(3)結(jié)合為一個(gè)復(fù)合體(2，3)，其在截面模式的諧振頻率高于壓電陶瓷片(2)的諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述壓電陶瓷體(2)的基面與材料體(3)的基面大小類似，其面積差別在50％之內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述壓電陶瓷體為圓形的壓電陶瓷片(2)，所述材料體為圓形的材料片(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述壓電陶瓷體(2)和/或所述材料體(3)具有長(zhǎng)方形或正方形基面。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述復(fù)合體(2，3)為由至少兩個(gè)壓電陶瓷體(2)和至少兩個(gè)材料體(3)交替結(jié)合構(gòu)成的多層復(fù)合體。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在所述復(fù)合體(2，3)的一個(gè)基面上設(shè)有至少一個(gè)盤狀適配層(4)，用于適配周圍傳播介質(zhì)的波阻抗，其外部基面表示超聲波轉(zhuǎn)換器(1)的聲發(fā)射層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述適配層(4)具有圓片結(jié)構(gòu)，其直徑與復(fù)合體(2，3)的最大直徑的差別不超過(guò)25％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述片狀適配層(4)的外殼面積和/或其內(nèi)部基面具有適配的輪廓。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述適配層(4)為一個(gè)圓柱形片，其直徑大于復(fù)合體(2，3)的最大直徑的1.25倍，適配層(4)在其超出復(fù)合體(2，3)直徑的部分的，背對(duì)發(fā)射聲波的表面的背面上具有一同心的金屬環(huán)形體或由適配層(4)材料構(gòu)成的環(huán)形體。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的超聲波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述超聲波轉(zhuǎn)換器(1)埋置在一個(gè)彈性的振蕩阻尼材料中。
全文摘要
一種超聲波轉(zhuǎn)換器(1),其中一壓電陶瓷體(2)與一個(gè)材料體(3)結(jié)合成復(fù)合體,該復(fù)合體的聲速大于壓電陶瓷體(2)的聲速。以這種方式可以按照要求變窄主瓣的開(kāi)角Ф。
文檔編號(hào)B06B1/06GK1184440SQ96193895
公開(kāi)日1998年6月10日 申請(qǐng)日期1996年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月24日
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