超声波转换器制造技术

一种超声波转换器（１），它具有至少一个片状压电陶瓷体（２），所述压电陶瓷体各具有一个上基面和一个下基面，用于在液体或气体传播介质中发射超声波，优选应用于近似开关中，其特征在于，所述压电陶瓷体（２）至少在其两个基面之一与一个声速大于压电陶瓷片（２）的声速的片状材料体（３）结合为一个复合体（２，３），其在截面模式的谐振频率高于压电陶瓷片（２）的谐振频率。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有至少一个压电陶瓷体的超声波转换器，用于在一液体或气体传播介质中发射和接收超声波，优选用于超声波近似开关中。在许多出版物上已公开了同类的超声波转换器。在超声波近似开关和远距传感器中使用超声波转换器时，首先要求较窄的采集特性。这样，可以准确地识别物体，而旁侧的干扰反射因素(例如在邻近区域或在狭窄行程)则如所希望的那样不影响传感功能。为此需要具有非常窄的声波瓣特性和同时非常小的侧波瓣幅度的超声波转换器。在DE 2541492 C2中公开了一种萨杜恩几何结构(Satumgeometrie)的定位准确的超声波转换器，这种转换器普遍用于工业过程的超声波传感器中。这种超声波转换器由一个压电陶瓷片、一个适配层片和一个同心的金属环组成。由于适配层片的直径远远大于压电陶瓷片的直径，因此适配层的面积较大，由此可获得声波瓣的一个极窄的角度值为5°的开角φ。由于适配层片远远超出压电陶瓷片，所以在实际应用中很难在整体面积上始终精确保持有利的振幅分布和相位，这就导致了侧边旁瓣的问题。此外已知一种具有一压电陶瓷片和一硅适配层的超声波转换器(US专利3928777)。适配层的直径略大于压电陶瓷片的直径，因此相应的声波瓣开角φ的值10-12°也相当大。旁瓣的阻尼超过-25dB，该值极小，因而在实际应用中不起任何作用。适配层材料硅由于其较差的化学稳定性不能用于各种应用情况，而且其机械特征参数呈现严重的温度漂移。在WO 94/05004中公开了一种在适配层片中具有侧槽的超声波转换器。如萨杜恩几何结构的转换器一样，该适配层由坚固耐用的合成泡沫组成。这种结构与硅转换器相同，都不存在旁瓣。由于其适配层仅略超出陶瓷片，故声波瓣开角φ的值10-12°也与后者相同。本专利技术的目的在于，提供一种具有极窄主瓣开角的上述种类的超声波转换器，这种转换器同时具有尽可能小的旁瓣振幅，因此在实际应用中不会对真正的目标采集产生干扰。这是因为当旁瓣振幅不能保持足够小时，无意采集到的侧面干扰物会使目标采集失真或造成目标采集困难。本专利技术的目的是这样实现的，压电陶瓷体至少在其两个基面之一与一个声速大于该压电陶瓷体的盘形材料体连接成一个复合体，该复合体的横向振动方式的谐振频率高于压电陶瓷体的谐振频率，当转换器运行在一个升高频率的横向模式时并且当用基面之一作为声幅射层时，由此得到的横向模式时的谐振频率的升高(该横向模式是垂直于盘形复合体的厚度方向位于隔离运行的陶瓷体的对面的方向)使声波瓣开口角φ变窄。这里，盘形体指这样的扁平体，其在两个方向的尺寸大于第三个称为盘厚度方向的尺寸。对一个平面平行的盘而言，只有一个统一的盘厚度。复合体中各盘形体的厚度至少以系数2小于其构成盘的上下基面的横向尺寸。本专利技术的有益扩展结构见附属权利要求2至10。当用圆形压电陶瓷片作为压电陶瓷体以及用圆形材料片作为材料体时，可得到一种有益的实施形式。这种形式产生一种在多种应用中有益的旋转对称的声波瓣。此外，可以采用平面模式的基波振荡或高效的径向振荡作为有效的转换器运行模式。对某些应用情况，当压电陶瓷片和/或材料体具有长方形或正方形基面时，则特别有利。这种结构例如在沿转换器中轴的两个相互垂直的平面上产生具有不同开角φ的象散声波瓣形式。这里采用例如有效的横向模式之一(即长方形形式的纵向尺寸或横向尺寸)作为振荡模式。当采用至少两个压电陶瓷体和至少两个材料体交替连接形成复合体时，则得到一种有利的扩展结构。通过采用多个较薄的盘体代替较少的较厚的盘体可以得到压电陶瓷体和材料体的较好的混合结果和机械材料特性的均匀分布，因此即使在材料体的比例相同时也能得到较高的声速。另一种可能有益的方法是，将多种不同的材料体材料和/或压电陶瓷体材料应用于一个多层复合体中。为了更好地适配周围的声传播介质中的声波阻尼，复合体至少具有一个适配层，其波阻尼位于复合体的波阻尼和传播介质的波阻尼之间。适配层的厚度最好约为超声波转换器的工作频率波长的四分之一。合成泡沫适合作为适配层材料，这种合成泡沫由一个合成树脂阵列(例如环氧树脂)组成，其中，该树脂阵列由玻璃、陶瓷或类似物组成的空心体填充。此外，例如轻材料(如气凝胶)或橡胶状弹性的材料(如硅胶)也适合作为适配层材料。最好为圆形复合体片配置圆形的适配层片。如果将适配层片作成其直径等于复合体直径或偏离复合体直径25％以内，在对复合体和适配层体的元件的直径值和厚度值进行微调后，不需在适配层的外部声辐射基层上增加结构上的辅助材料，就可获得一个振荡频率和振荡相位的分布，该分布产生非常窄的具有极小旁瓣振幅的声波瓣。超声波转换器的另一种有益的实施形式是为片形的适配层的外壳表面和/或其内部基面设置合适的轮廓。该轮廓例如由至少一个凹穴和/或一个突出组成，其例如具有一圆形的、三角形的、长方形的或梯形的截面。该合适的轮廓也可简单由下列形式构成适配层片的侧外壳表面的截面呈直线或曲线的倾斜形状，使得适配层的内基面和外基面具有不同的大小。合适的轮廓也可位于适配层的内基面上，在此处，它们可以具有例如同心槽的形式。借助这些附加措施可以以确切的方式预调所期望的转换器特性，如特定的适合于实际应用的声波瓣形式。另外一种有利的实施形式是将适配层作成圆柱形片，其直径大于复合体最大直径的1.25倍，其中适配层超出复合体直径的那部分在其(背对声幅射表面的)背面上具有一个由金属或适配层本身的材料组成的同心的环形体。在这种结构中，通过扩大幅射面积可以获得极窄的声波瓣角并同时使适配层超出的范围在很大程度上与中心范围同相位振荡。就此而言，本专利技术的转换器与萨杜恩几何结构的转换器相同，在后者中，适配层的超出范围在其(位于前辐射基面对面的)背面上也具有一个由金属组成的同心的环形体。以下将结合附图详细说明本专利技术的实施形式，附图中附图说明图1为一圆柱体形的对称结构超声波转换器的剖视图，其具有一个圆形压电陶瓷片，压电陶瓷片的两面各由一个圆形材料体片所包围；图2为一圆形超声波转换器的剖视图，其具有一材料体层，一压电陶瓷层和一适配层片；图3为一圆形超声波转换器的剖视图，包括一压电陶瓷片，一材料体片和一适配层片，适配层片的外壳表面具有合适的轮廓；图4为一圆形超声波转换器的剖视图，包括一分别由两个压电陶瓷片和两个材料体片组成的多层复合体，和一个适配层片；图5示出在相当于图1中的对称复合体中有效声速和材料体百分比之间的关系曲线；图6为一个对称旋转的超声波转换器的剖视图，包括一压电陶瓷片、一材料体片、一适配层片，适配层片远远超出压电陶瓷片且在适配层片的背面上具有同心的金属环。图1示出一典型的超声波转换器1，其包括一个作为压电陶瓷体的具有圆形的平面平行的基面的压电陶瓷片2，该压电陶瓷体的两个端面与一个作为材料体的材料片3相连。如图所示，接触线5、6将激励电压7连接到此处未示出的压电陶瓷片2的端面电极表面，在电激励作用下，压电陶瓷片2产生径向平面振荡。具有径向振荡方向的平面模式和截面模式的谐振频率由片的直径和压电材料的声速确定，对于较薄的片，其计算公式为fp＝2*CD(π*d)，其中fp＝平面串联谐振频率，d＝片直径，CD＝膨胀波的声速。CD的计算公式如下CD=E/(ρ*(1-μ2))]]>其中，E＝弹性模数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波转换器(1)，它具有至少一个片状压电陶瓷体(2)，所述压电陶瓷体各具有一个上基面和一个下基面，用于在液体或气体传播介质中发射超声波，优选应用于近似开关中，其特征在于，所述压电陶瓷体(2)至少在其两个基面之一与一个声速大于压电陶瓷片(2)的声速的片状材料体(3)结合为一个复合体(2，3)，其在截面模式的谐振频率高于压电陶瓷片(2)的谐振频率。2.根据权利要求1所述的超声波转换器，其特征在于，所述压电陶瓷体(2)的基面与材料体(3)的基面大小类似，其面积差别在50％之内。3.根据权利要求1或2所述的超声波转换器，其特征在于，所述压电陶瓷体为圆形的压电陶瓷片(2)，所述材料体为圆形的材料片(3)。4.根据权利要求1或2所述的超声波转换器，其特征在于，所述压电陶瓷体(2)和/或所述材料体(3)具有长方形或正方形基面。5.根据上述权利要求之一所述的超声波转换器，其特征在于，所述复合体(2，3)为由至少两个压电陶瓷体(2)和至少两个材料体(...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁道夫·特恩，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：