專利名稱：超聲換能器和超聲換能器的接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在流動媒質(zhì)中傳播聲音的超聲換能器。這種類型的換能器被用在根據(jù)傳輸時間原理(transit-time principle)或者多普勒原理工作的超聲波流量計中。本發(fā)明將主要用在根據(jù)傳輸時間原理工作的流體用超聲波流量計中。然而，它可以用在超聲波流量計的不同類型中。
背景技術(shù)：
根據(jù)傳輸時間原理工作的超聲波流量計包括一組或多組超聲換能器，聲音在其間傳播。換能器交替用作超聲波的發(fā)射器和接收器。換能器基本上由壓電元件構(gòu)成，該壓電元件將電能轉(zhuǎn)換成聲音以及相反地將聲音轉(zhuǎn)換成電能。壓電元件被設(shè)置在典型為不銹鋼的殼中。壓電元件通常不能抵抗流動流體例如分區(qū)供暖水的影響。因此，壓電元件被一板所保護(hù)，該板也稱為“窗”，其被設(shè)置在殼上。該保護(hù)板或窗由抗蝕材料制成，典型地是不銹鋼。此后“板”意味著是超聲波流量計的一部分，超聲波從壓電元件通過它傳播至液體。該板可以被集成在測量管自身中，但是典型地該板是安裝在測量管中的分立換能器的一部分。
在能量測量尤其是分區(qū)供暖測量的范疇內(nèi)所用的大多數(shù)超聲波流量計中，該板可以由包括鉬的不銹鋼制成。其它超聲換能器具有由鋁黃銅制成的保護(hù)板。于是超聲換能器由將要被接合的兩個部件組成。當(dāng)這兩個部件由不銹鋼制成時，它們可以通過TIG(Tungsten Inert Gas，鎢惰性氣體)焊接、電子束焊接或激光焊接的方式焊接在一起?；蛘?，這兩個部件可以通過軟焊接合在一起。當(dāng)把超聲換能器接合時存在公知的熱工藝，但是這些工藝相當(dāng)復(fù)雜、昂貴和耗費(fèi)時間。而且，當(dāng)控制溫度使得關(guān)鍵部件例如壓電盤不被損壞時經(jīng)常存在問題。例如，與激光焊接有關(guān)的公知和普遍的問題是破裂，并且這對于將壓電元件設(shè)置為與板緊密(直接或間接)機(jī)械和電氣接觸的超聲換能器類型尤其是一個問題。這種緊密聲學(xué)接觸是必要的以便將超聲波傳播至流體中。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的在于使用比現(xiàn)有技術(shù)中所用方式更為簡單、更快捷和更加容易的方式將組成超聲換能器的各個部件接合。
超聲換能器包括一殼和設(shè)置為與保護(hù)板接觸的壓電盤，由于殼和保護(hù)板由導(dǎo)電材料構(gòu)成，其中殼所用材料不同于保護(hù)板所用材料，并且由于通過利用機(jī)械力作用和一在板和殼中傳導(dǎo)的電流在熱工藝中將板和殼接合，從而達(dá)到了上述目的。
于是在熱接合工藝中將超聲換能器的殼和板接合，其中利用在待接合的部件中傳導(dǎo)電流而引起熱量的產(chǎn)生。因此，殼以及板必須均是導(dǎo)電的。應(yīng)用本發(fā)明令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使在接合工藝中板和壓電盤彼此密切機(jī)械接觸，盤也不會熱負(fù)荷過多。而且，通常設(shè)置在板和盤之間的聲學(xué)中間層也不會因例如蒸發(fā)而受損。采用基于電的熱接合工藝的優(yōu)點在于與其它焊接方法相比，它提供相當(dāng)?shù)偷臒崃枯斎搿＿@增加了換能器的設(shè)計可能性，因為壓電盤現(xiàn)在可被膠合到板上，然后可以進(jìn)行接合而不會顯著影響膠條。這也應(yīng)用于用油脂替代膠的情況。本工藝也比目前所用的制造工藝更加快捷。機(jī)械-電氣-熱接合工藝通常已公知的有電阻焊接或加壓焊接，但是電阻釬焊也是可以的。接合中的溫度可以低于或高于所用材料的熔點。接合可以發(fā)生在所用部件的熔融區(qū)，從而發(fā)生實際的焊接和釬焊，或者沒有熔融區(qū)而產(chǎn)生部件的固相接合。取決于工藝參數(shù)，存在這兩種情況之間的平滑過渡。在于1998年5月7日和8日在德國杜伊斯堡舉辦的會議“電阻焊的特別大會(Sondertagung Widerstandsschweissen)”中，在J.S.Hansen和J.Bruland，Danfoss A/S的題為“通過在具有不同特性的材料上鍍覆金屬鍍層來改善凸焊傾向(Verbessern der Buckelschweissneigung durch metallische berzüge amBeispiel von Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften)”的文章中恰當(dāng)?shù)孛枋隽穗娮韬附?。通過將板和殼選取為不同的材料實現(xiàn)了制造過程的簡化。公知方法例如激光和TIG焊接的顯著不足是它們不能被用于例如銅合金并且不適用于不同種類的接合材料。因此，本發(fā)明的特點是板和殼可以選取不同種類的材料。諸如法蘭盤連接、螺紋連接等的機(jī)械接合方法是可能的替代方法，但是電阻焊接和相應(yīng)的電阻釬焊得到更好的氣密性并且在機(jī)械和幾何上更加簡單。于是，便宜的材料可以用于殼和另一材料用于板，后一材料符合傳播的技術(shù)規(guī)范。
通過在接合前表面涂覆一個或兩個部件，實現(xiàn)殼和板間的非常良好接合。例如，在化學(xué)浸漬工藝或在電化學(xué)電鍍中，板可被設(shè)置有一涂層，該涂層在接合工藝期間因大電流而熔化，從而作為焊接材料。這將導(dǎo)致緊密固定和機(jī)械上可耐久焊接。
表面層主要由鎳或鎳和磷的化合物構(gòu)成。
超聲換能器的殼優(yōu)選地由銅合金構(gòu)成，特別優(yōu)選由黃銅制成。用黃銅比用不銹鋼制造殼的成本低，因為黃銅的金屬切割更加容易。制造成本大約是不銹鋼價格的一半。此外，可以用后續(xù)工藝通過熱壓制造黃銅殼。工件的數(shù)量大，這進(jìn)一步降低制造成本。如果同時在這種材料組合之后進(jìn)行上述的表面涂覆，可得到顯著抗蝕性的超聲換能器。
為了有助于接合工藝，例如，可以在殼和板之間設(shè)置用于焊接的環(huán)。
為了實現(xiàn)壓電盤和保護(hù)板之間的良好電氣接觸，可以按照如下方式構(gòu)成在面對盤的板的一側(cè)上的涂層，使得它露出由涂層材料組成的多個鼻。這些鼻從聲耦合層例如油脂伸出，并確保產(chǎn)生的各個接收到信號的更好傳播。通過在涂覆前將具有孔的掩模施加到板上來制成這些鼻。這例如可以利用絲網(wǎng)印刷完成。當(dāng)掩模被去除時，剩余部分將作為突出鼻。
鼻的高度應(yīng)當(dāng)選擇成能實現(xiàn)從壓電盤至流體的最大信號幅度。該高度取決于聲耦合材料，但是具有從1至50μm的尺寸。
可以在面對壓電元件的板的一側(cè)形成突起來取代鼻。這種突起例如可以是具有10μm邊緣高度和3μm頂寬度的圓。
實現(xiàn)電氣接觸的另一方法是在設(shè)置于板和壓電元件之間的油脂層中加入小的金屬微粒。
此外，本發(fā)明的目的還通過一種超聲換能器的接合方法來實現(xiàn)，其中該方法包括在熱工藝中，利用機(jī)械力以及流過由導(dǎo)電材料組成的板和殼的電流，接合由第一材料組成的保護(hù)板和由第二材料組成的殼。


下面參考附圖介紹本發(fā)明的實施例，其中圖1示出用于接合超聲換能器的各部件的技術(shù)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器的剖面圖；
圖3a和3b示出了保護(hù)板的創(chuàng)造性實施例。
具體實施例方式
圖1是關(guān)于本發(fā)明超聲換能器的各部件如何接合的示意圖。超聲換能器1的一部分通過導(dǎo)線3連接至電流發(fā)生器2。具有約600N強(qiáng)度的機(jī)械“力”作用在殼上，同時電流發(fā)生器通過板4和殼5送出約4KA的電流。熱接合發(fā)生在接觸區(qū)6中，在本實施例中接觸區(qū)6是環(huán)形的。換句話說，保護(hù)板在殼上焊接成圓。于是，當(dāng)部件彼此接觸時，由于電接觸阻值產(chǎn)生接觸點中的局部加熱。殼5優(yōu)選地由脫鋅抗蝕黃銅組成，而板4由不銹鋼制成。其它的材料組合也是可以的。因此，例如易切削鋼(即機(jī)加工鋼)和不銹鋼的不同種類的材料可以在電阻焊接工藝中接合。選擇易切削鋼作為殼的材料，而將不銹鋼用于板。易切削鋼的成本非常低，且可以在超聲換能器首次使用之前在殼上涂覆一腐蝕保護(hù)涂層。也可以將鋁-青銅用作板的材料，但是在材料的選擇上存在限制，由于聲波在傳播過程中衰減，因此板必定不會太高。
用黃銅制作換能器殼的優(yōu)點在于它比不銹鋼便宜很多，大約一半的價格，因為黃銅中的金屬切割更加容易和快捷。也可以通過熱壓和甚至可以更加便宜的后續(xù)修整來制造黃銅部件。
脫鋅抗蝕黃銅通常是小超聲熱能計最常使用的材料。原因是它可以通過低成本和良好工藝的熱鍛造法成形，在許多情況下優(yōu)于鑄造。據(jù)大家所了解的那樣，脫鋅抗蝕黃銅沒有更早地用于超聲換能器。
在進(jìn)行基于電流的熱接合工藝前，殼或板或兩者在電擊和/或其中發(fā)生了淀積的化學(xué)濕法工藝中被表面修整。通過在工件上涂覆鎳或鎳和磷的化合物(NiP)，顯著地改進(jìn)了接合處和接合工藝。
當(dāng)不銹鋼和具有NiP涂層的黃銅組合時，NiP涂層熔化，因為它具有低于其它兩種金屬的較低熔點(880-950℃)。通常，電阻焊接也可以制造而不會實際上熔化該材料，即，如固相接合工藝，如擴(kuò)散焊接，如摩擦焊接，如攪拌摩擦焊接(stir-friction-welding)，或如普通鍛焊。
本發(fā)明的一個變形例是利用電阻釬焊來接合超聲換能器，這意味著在板和換能器殼之間引入諸如焊接環(huán)或焊接膏的焊接材料。但是，工藝與電阻焊接的工藝相同，并且可以在用于電阻焊接的相同機(jī)器中進(jìn)行。此外，存在電阻釬焊和電阻焊接之間的一個平滑過渡。
圖2示出了角型超聲換能器的剖面圖。在壓電盤11和板4之間設(shè)置有聲耦合層13。該層可以是釬焊層、膠水或油脂。該層用于改善從盤經(jīng)由板至媒質(zhì)的聲傳播。壓電盤必須與板4密切接觸。彈簧9用它的力將盤固定住。彈簧被設(shè)置在電絕緣合成殼8中并具有將盤推入位置同時用作電端子的臂14。進(jìn)出壓電盤的電信號通過連接10在臂14上傳導(dǎo)，而接地電纜被焊接至端子7。端子7是殼的一體部件并且是實現(xiàn)接地接觸的容易、便宜和可靠方式。
已知的是使用了典型為不銹鋼的薄板4，并且通常具有0.05-0.1mm的厚度。薄板的優(yōu)點是良好的換能器功能(高靈敏度和低Q)。缺點是對于諸如流體壓力、磨損、水沖擊等的機(jī)械影響具有相當(dāng)大的靈敏度。薄板要求壓電盤能夠?qū)⒘黧w壓力傳遞給可匹配流體壓力的“背襯”，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
也知道的是使用厚板。典型的結(jié)構(gòu)是具有與板中聲波波長的一半相對應(yīng)的厚度的不銹鋼，即在典型應(yīng)用的1MHz聲頻率處不銹鋼為大約3mm。也知道是采用具有大約0.8mm厚度的鋁青銅板。
板材料關(guān)于價格不是重要的，因為板的幾何形狀簡單(環(huán)形窗)并因此便宜地制作出，而與所用材料的種類無關(guān)。總之，不銹鋼的厚板是優(yōu)選的，因為它尤其非常適合于與黃銅組合的電阻焊接。采用油脂作為板和壓電盤之間的聲接觸媒介是有利的。油脂耦合的成本低且比替代的膠合簡單，膠合需要特別徹底的表面處理并且考慮到制造區(qū)域的環(huán)境可能存在問題。
如上所述，有利地是電阻焊接的工藝產(chǎn)生非常低的熱輸入，采用這種方式，油脂和壓電盤可以在焊接之前被安裝而不會有過度加熱油脂的危險。而且，不需要考慮聚合物殼8的熔點。本發(fā)明可以結(jié)合上述所有實施例的板來應(yīng)用。
圖3a示出板4的實施例，其中它具有分離伸出的突出鼻15。鼻的任務(wù)是確保盤和板之間的電接觸。這些鼻通過掩模工藝制造，例如通過絲網(wǎng)印刷，并且具有給出從壓電盤經(jīng)由聲耦合層至板并且然后至媒質(zhì)的最佳聲傳播的高度。該高度在1至50μm的范圍內(nèi)并且取決于所選聲耦合層。對于油脂的特殊種類，優(yōu)選的高度是10μm+/-5μm。板4顯示出與突出鼻15同時制造出的表面涂層16。圖3b示出壓電盤11和板4的剖面圖。
確保良好電接觸的另一方法是在面對壓電盤的一側(cè)板中制作出導(dǎo)電突起。這種突起可以由例如具有10μm的高度和5μm的寬度的突出環(huán)構(gòu)成。該突起作為盤和板之間的隔板。
如果選擇油脂作為聲耦合媒介，可以加入小的金屬微粒。這些微?；蚯蛟鰪?qiáng)了油脂中的導(dǎo)電性并因此增強(qiáng)了信號傳播，并且同時用作至板的隔板。
本發(fā)明尤其用在分區(qū)供暖儀表中，其可以制造成“直接”聲傳播或具有多次反射地傳播。在后一種情況下，通過多個聲鏡來控制聲音傳播。
權(quán)利要求
1.一種用于在氣體或液體中傳播聲音的超聲換能器(1)，其中，所述換能器包括一包含壓電盤(11)的殼，所述壓電盤(11)用作振動元件且被設(shè)置為與保護(hù)板接觸，其特征在于，所述保護(hù)板(4)和所述殼(5)由導(dǎo)電材料制成，其中，所述保護(hù)板所用的材料種類不同于所述殼所用的材料種類，并且所述板和所述殼在熱工藝中通過機(jī)械力和流過該板和該殼的電流的作用而接合。
2.按照權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，所述保護(hù)板或所述殼設(shè)置有表面涂層(16)。
3.按照權(quán)利要求2所述的超聲換能器，其特征在于，所述表面涂層(16)主要由鎳組成或者是鎳和磷的化合物。
4.按照權(quán)利要求3所述的超聲換能器，其特征在于，所述殼由銅合金尤其是黃銅組成，并且所述保護(hù)板由不銹鋼組成。
5.按照權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，在所述殼和所述板之間設(shè)置諸如焊接配件、焊膏或焊劑的裝置以有助于接合工藝。
6.按照權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，所述保護(hù)板在面對所述壓電盤(11)的一側(cè)的表面涂層上設(shè)置有一個或多個突出鼻(15)。
7.按照權(quán)利要求6所述的超聲換能器，其特征在于，所述鼻具有給出至液體或氣體的最佳聲音傳播的高度。
8.按照權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，所述保護(hù)板在面對所述壓電盤的一側(cè)上設(shè)置有一突起。
9.按照權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，在所述壓電盤和所述保護(hù)板之間設(shè)有一聲耦合層(13)。
10.按照權(quán)利要求9所述的超聲換能器，其特征在于，所述在所述壓電盤和所述保護(hù)板之間的聲耦合層(13)內(nèi)混有顆粒尺寸在1-50μm之間的金屬微粒。
11.一種用于在氣體或液體中傳播聲音的超聲換能器的接合方法，其中，所述換能器(1)包括一包含壓電盤的殼，所述壓電盤用作振動元件且被設(shè)置為與保護(hù)板接觸，其特征在于，所述保護(hù)板(4)和所述殼(5)由導(dǎo)電材料制成，以及所述保護(hù)板所用的材料種類不同于所述殼所用的材料種類，并且所述板和所述殼在熱工藝中利用機(jī)械力和流過該板和該殼的電流而接合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲換能器(1)，其由幾個部件構(gòu)成。這些部件是保護(hù)板(4)、壓電盤(11)和殼(5)。保護(hù)板(4)和殼(5)由不同種類的導(dǎo)電材料組成，通過利用機(jī)械力影響和流過板(4)和殼(5)的電流將殼(5)和板(4)接合。此外，本發(fā)明還涉及一種超聲換能器(1)的各部件(4，5，11)的接合方法。
文檔編號G10K9/00GK1599647SQ02823984
公開日2005年3月23日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者埃斯本·G·布龍 申請人:西門子流量儀器公司