一维超声换能器单元制造技术

本发明专利技术涉及一种一维超声换能器单元，包括至少三个分立的超声换能器和控制单元，用于单独地操控每个超声换能器，其中，每个超声换能器分别具有壳体、压电体、用于将声波耦出到气态介质中的声耦出层，装在共同的承载结构中，辐射和/或接收在20千赫至400千赫之间的相同频率，分别两个相邻的超声换能器具有最高位10cm的间距(A1)，一维超声换能器单元(10)的每个超声换能器具有声通道，所述声通道具有恰好配属于一个声耦出层(26)的输入开口(38)和输出开口(40)，所述输出开口沿直线布置，相邻的输出开口(40)之间的间距(A2)最高相当于声频的整个波长或半波长并且小于输入开口(38)的间距(A1)并且所述输出开口的面积与所述输入开口的面积的商具有0.30至1.2之间的值。开口的面积的商具有0.30至1.2之间的值。开口的面积的商具有0.30至1.2之间的值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一维超声换能器单元


[0001]本专利技术涉及一种一维超声换能器单元，所述超声换能器单元具有至少三个离散的、可单独操控的超声换能器，用于感测对象、轮廓或间距。

技术介绍

[0002]超声或超声换能器广泛用于各种测量组件。视应用方式而定，将超声波耦出到液体介质或气体介质中。
[0003]由WO 2008/135 004 A1已知一种用于气态介质中的超声换能器阵列。所述阵列具有分层结构，该分层结构具有两个电极结构之间的驻极体层，其中，每个电极结构包括多个可独立寻址的电极元件，由此，产生驻极体层的局部厚度振动。
[0004]由US 2013/0283918 A1已知一种具有改进的近场分辨率的1.5维超声换能器阵列。在US 2014/0283611 A1和US 6,310,831 B1中说明了相控的超声换能器阵列和自适应或补偿控制方法。
[0005]对于在工业环境中的使用，所使用的超声换能器必须能够确保从
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40℃到部分超过+100℃的测量的温度稳定性，和与其他技术设备的电磁兼容性。此外，超声换能器相对于恶劣的环境影响，例如灰尘、湿气、腐蚀性化学品，并且相对于机械冲击或相对于机械划伤必须是稳健的。
[0006]为了实现高探测范围，使用压电陶瓷、例如锆钛酸铅(PZT)，所述压电陶瓷与其他压电材料例如石英、驻极体或PVFD相比具有较高的耦合系数。在此，耦合系数是对机械存储能量和电存储能量之间的转换效率的量度。对于PZT来说，视激发方向而定，这些耦合系数例如在0.3到约0.75的范围内。
[0007]视压电材料的极化方向而定，可以借助交变电压在压电体中产生共振的机械振动，这些共振的机械振动根据几何传播方式被称为平面振动、厚度振动或剪切振动。对于不同的振动形式，可以由针对材料特定的频率常数来估计压电体的典型尺寸，这些频率常数对于预给定频率下的共振振动来说是必需的。
[0008]对于PZT，视振动类型而定，这些频率常数通常在1300千赫*毫米和2600千赫*毫米之间。
[0009]因此，由适用于传感器装置的PZT组成的薄盘针对在平面模式下从20千赫至500千赫的激发频率具有约为4毫米至100毫米的直径。由于这种薄盘的电容特性，在相应地极化时能良好地实现低激发电压。
[0010]不值得追求压电盘的更大厚度。一方面，随着压电材料的厚度增加，针对相同的频率范围必须施加更高的电压，很快也处于千伏的范围内，这意味着更高的安全性耗费。另一方面，压电体的刚度也随其厚度改变，这对声波的接收情况具有直接影响。
[0011]在将多个超声换能器应用在相控至少一维的阵列(phased array)中时，还应注意，相邻的超声换能器之间的间距不应大于超声波的波长，或者优选不大于波长的一半。
[0012]通过这种间距条件相应地限制了单个换能器的结构大小或通过特定结构形式/大
小的超声换能器可能实现的频率范围。
[0013]对于20千赫和500千赫之间的频率范围和到空气中的耦出而言例如得出，相邻换能器之间的最大间距例如在约8.5毫米至约0.3毫米的数量级中。
[0014]然而，具有由适用于传感器装置的PZT组成的薄盘的前述换能器由于压电盘直径的原因具有平均大了10倍以上的直径。

技术实现思路

[0015]在该背景下，本专利技术的任务在于，提出一种对现有技术进行了扩展的设备。
[0016]该任务通过一种具有权利要求1的特征的一维超声换能器单元来解决。本专利技术的有利构型是从属权利要求的内容。
[0017]根据本专利技术的内容，提出一种一维超声换能器单元。
[0018]一维超声换能器单元包括至少三个超声换能器，用于感测对象、轮廓或间距，例如0.5米和更大的间距，并且包括控制单元。
[0019]控制单元设计为用于，单独地操控每个超声换能器。
[0020]超声换能器嵌在共同的承载结构中，其中，每个超声换能器分别具有壳体、布置在该壳体中的压电体和布置在壳体的敞开端部上的声耦出层，例如压电体的相应布置的表面，以用于将声波耦出到气态介质中。
[0021]每个超声换能器设计为用于辐射和/或接收相同的频率，其中，频率在20千赫至400千赫的范围内。
[0022]每两个直接相邻的超声换能器具有从声耦出层的中心到声耦出层的中心的最多10厘米或最多5厘米或最多2厘米的间距。
[0023]此外，一维超声换能器单元的每个超声换能器具有声通道，其中，每个声通道具有带有第一横截面的输入开口和带有第二横截面的输出开口并且每个声耦出层恰好配属有一个输入开口。
[0024]所有声通道的输出开口沿着一条线布置并且从一个输出开口的中心到直接相邻的输出开口的中心的间距最高为声频的波长或最高为声频的波长的一半，其中，直接相邻的输出开口之间的间距小于相应的输入开口之间的间距。
[0025]输出开口的横截面的面积与输入开口的面积的商具有在0.30至1.2之间或0.35至1.0之间或0.4至0.8之间的值。
[0026]显然，一维超声换能器单元的超声换能器是单个分立的构件，其中，每个超声换能器由于插入到承载结构、例如壳体中而具有固定位置并因此具有相对于所有另外的超声换能器的固定间距。
[0027]在此，两个并列布置的超声换能器直接相邻，在这两个超声换能器之间没有布置另外的超声换能器。
[0028]显然，各个声通道也构造为管状或杆状，其中，例如管径减小和/或横截面的形状改变和/或通道的走向构造为弧形或s形。
[0029]有利地，在声耦出层与输出开口之间的声通道具有光滑的内壁并且尤其不具有棱边。
[0030]借助多个可单独操控的超声波传感器能够通过时移或相移的操控方式产生具有
可调设的主传播方向的波前。
[0031]通过将这些声通道布置在各个超声换能器前面，在叠加成共同的波前时或为了叠加成共同的波前，将各个声源移位到这些声通道的对应端部或输出开口处。
[0032]由此可能的是，相较于各个换能器之间的间距减小这些声源之间的间距，尤其是与各个超声换能器的尺寸、例如直径无关地或与各个超声换能器之间的间距无关地调整各个声源之间的间距。
[0033]因此，本专利技术的一个优点是，借助声通道这样改变压电换能器的辐射孔径、例如具有由压电体预给定的直径的圆形孔径，使得这些声通道在至少一个维度上满足所希望的阵列布置的条件并且该构造方式能构造相移的阵列设备。
[0034]尤其地，通过各个声通道的大输出面积、即通过大于0.3的商能得到与单个超声换能器的探测有效范围相比近似的声压和因此得到组件的近似的探测有效范围。在两个维度上商较小或面积减小的情况下，与单个超声换能器的探测有效范围相比，所述设备的有效范围减小。
[0035]尤其地，与基于MEMS的超声换能器不同，能实现明显更大的功率并由此尤其也能可靠地探测距离在0.5米以上的对象或结构。
[0036]此外，声通道的走向和输出开口的尺寸能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种一维超声换能器单元(10)，所述一维超声换能器单元包括至少三个用于感测对象、轮廓或间距的超声换能器(12)并且包括控制单元，其中：
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所述控制单元(14)设计为用于，单独地操控每个超声换能器(12)，
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每个超声换能器(12)分别具有壳体(22)、布置在所述壳体(22)中的压电体(18)和布置在所述外壳(22)的敞开端部处的用于向气态介质耦出声波的声耦出层(26)，
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所述超声换能器(12)装在共同的承载结构(16)中，
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每个超声换能器(12)设计为用于，辐射和/或接收相同的频率，
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所述超声换能器(12)的频率在从20千赫至400千赫的范围中，其特征在于，
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每两个彼此直接相邻的超声换能器(12)具有从所述声耦出层(26)的中心到所述声耦出层(26)的中心最高为10厘米或最高为5厘米或最高为2厘米的间距(A1)，
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所述一维超声换能器单元(10)的每个超声换能器(12)具有声通道(36)，
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每个声通道(36)具有带有第一横截面的输入开口(38)和带有第二横截面的输出开口(40)，
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每个声耦出层(26)恰好配属有所述输入开口(38)中的一个输入开口，
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所述输出开口沿一条线布置，并且
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从一个输出开口(40)的中心到直接相邻的输出开口(40)的中心的间距(A2)最高相当于气态介质中的波长，或最高相当于气态介质中的波长的一半，
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其中，两个直接相邻的输出开口(40)之间的间距(A2)分别小于相应的输入开口(38)之间的间距(A1)，并且
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所述输出开口(40)的面积与所述输入开口(38)的面积的商具有在0.30至1.2之间的值，
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每个声通道(36)具有所述输入开口(38)的直径的至少一个长度。2.根据权利要求1所述的一维超声换能器(10)，其特征在于，输出开口(40)的面积与输入开口(38)的面积的商具有在0.35至1.0之间或在0.4至0.8之间的值。3.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，从每个超声换能器(12)的声耦出层(26)到相对应的声通道(36)的所述输出开口...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：倍加福欧洲股份公司，
类型：发明
国别省市：