專利名稱：具有匹配的轉(zhuǎn)換器和安裝板的兆聲波多頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及兆聲波處理裝置以及涉及兩個(gè)或更多個(gè)以厚度模式在至少300KHZ或更高的不同兆聲波頻率下操作的壓電轉(zhuǎn)換器的相關(guān)方法，并且更具體地涉及通過將多頻轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振或更高水平諧波頻率與所述轉(zhuǎn)換器安裝于其上的板或其他安裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)共振或更高水平諧波頻率進(jìn)行匹配來改進(jìn)性能。
背景技術(shù)：
兆聲波處理涉及生成和使用高于300KHZ的頻率下的高頻能量。許多兆聲波系統(tǒng)在IOOOKHz (IMHz)或接近lOOOKHz (IMHz)的頻率下操作。雖然對(duì)許多應(yīng)用而言IMHz是一致認(rèn)定的優(yōu)選頻率，但頻率范圍會(huì)變得更高，所述頻率可高達(dá)IOMHz。兆聲波系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括清潔易碎物體，例如半導(dǎo)體晶片和磁盤驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。這種兆聲波清潔過程涉及將待清潔物體放置在充滿流體的箱體中，并且施加兆聲波頻率下的振動(dòng)能量至箱體的一個(gè)或多個(gè)輻 射表面。一個(gè)或多個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)用于生成振動(dòng)能量。PZT被結(jié)合或以其他方式附接至板或箱體而無需外部壓力或壓縮。振蕩器供應(yīng)交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)至轉(zhuǎn)換器。兆聲波轉(zhuǎn)換器以厚度模式操作，其中壓電元件通過導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的交替膨脹和收縮一主要是轉(zhuǎn)換器的厚度的膨脹和收縮的交流電驅(qū)動(dòng)信號(hào)被激勵(lì)。具有O. 080英寸厚度的壓電轉(zhuǎn)換器具有l(wèi)OOOKHz的基礎(chǔ)厚度模式共振頻率。較薄的PZT將具有厚度模式下的較高共振頻率，而較厚的PZT將具有厚度模式下的較低共振頻率。已為人們所知的是，如我的美國(guó)專利7598654中闡述的，遍及整個(gè)頻率范圍掃描驅(qū)動(dòng)頻率，從而改進(jìn)高頻率能量的分布和均勻性。兆聲波處理在比超聲波處理更高的頻率下發(fā)生，超聲波處理涉及通常在25KHz至40KHz范圍內(nèi)的基礎(chǔ)頻率以及大約300KHz的最高水平的向上諧波。超聲波轉(zhuǎn)換器通常是質(zhì)量平衡的，在壓電元件的兩側(cè)上具有慣性質(zhì)量，并且具有與厚度成直角的明顯的徑向移動(dòng)分量。PZT是中心切除的圓形環(huán)，并且它們的頻率由內(nèi)徑與外徑的關(guān)系決定。超聲波轉(zhuǎn)換器的一個(gè)常見構(gòu)造是，在兩個(gè)質(zhì)量塊之間堆疊一個(gè)或多個(gè)環(huán)形壓電元件，并且通過軸向壓縮螺栓將該組件保持到一起。壓縮徑向PZT會(huì)增加其振動(dòng)振幅，這與厚度模式PZT發(fā)生的情況正好相反。超聲波清潔基于氣穴現(xiàn)象，該現(xiàn)象是流體中的氣泡的形成和破碎。在用于兆聲波清潔的頻率下，不會(huì)發(fā)生明顯的氣穴現(xiàn)象，從而所述清潔作用基于稱為微流動(dòng)的另一種機(jī)理，所述微流動(dòng)是分離的顆粒從兆聲波轉(zhuǎn)換器流開的總體流動(dòng)。這種流動(dòng)包括在安裝了轉(zhuǎn)換器的表面處起源的平面波。如果轉(zhuǎn)換器安裝在箱體的底部上，那么平面波沿著豎直方向向上移動(dòng)。這些微流動(dòng)的平面特性影響兆聲波能量在整個(gè)箱體中的分布。在兆聲波轉(zhuǎn)換器之間的反向空點(diǎn)或間隙之間具有很小或沒有活性。使分布最大化的一種方式是用轉(zhuǎn)換器覆蓋箱體表面區(qū)域的很高百分比(例如80-90%)。另一個(gè)但效率不高的方式是使待處理部件在更個(gè)箱體中振蕩或移動(dòng)，使得所有表面暴露至足夠高的兆聲波能量。已為人們所知的是，如在例如美國(guó)專利6019852中示出的，在超聲波裝置中使用不同頻率的多個(gè)轉(zhuǎn)換器。該專利公開了將較低頻率轉(zhuǎn)換器安裝到比較高頻率轉(zhuǎn)換器更厚的板上，從而抵抗由所述較低頻率轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的過度腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有以厚度模式在至少300KHZ的基礎(chǔ)共振頻率下操作的兩個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)的兆聲波處理裝置。第一和第二轉(zhuǎn)換器具有對(duì)應(yīng)且不同的第一和第二操作頻率。為了安裝轉(zhuǎn)換器而設(shè)置了安裝板。在第一轉(zhuǎn)換器的位置處，安裝板具有第一厚度并且具有大體上等于第一操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率。在第二轉(zhuǎn)換器的位置處，安裝板具有第二厚度并且具有大體上等于第二操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率。所述裝置還包括容納液體以及一個(gè)或多個(gè)待處理部件的箱體。所述安裝板操作性地聯(lián)接至箱體，以便轉(zhuǎn)換器提供振動(dòng)至箱體以及其容納物。所述裝置還包括聯(lián)接至轉(zhuǎn)換器以便在第一和第二操作頻率下供應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)振蕩器。所述安裝板具有匹配至轉(zhuǎn)換器的操作頻率的共振頻率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式 中，所有轉(zhuǎn)換器都具有大體上相同的尺寸，但是某些轉(zhuǎn)換器在基礎(chǔ)共振頻率下操作而其他轉(zhuǎn)換器在第三諧波頻率下操作。所述安裝板具有均勻厚度并且具有大體上等于轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率的基礎(chǔ)共振頻率，并且還具有大體上等于轉(zhuǎn)換器的第三諧波頻率的第三諧波頻率。例如，轉(zhuǎn)換器具有大約470KHz的基礎(chǔ)共振頻率以及大約1560KHZ的第三諧波頻率。因此，安裝板具有大約470KHz的基礎(chǔ)共振頻率以及大約1560KHZ的第三諧波頻率，從而匹配轉(zhuǎn)換器。所述實(shí)施方式具有如下優(yōu)點(diǎn)安裝板具有均勻厚度并且第三諧波轉(zhuǎn)換器與基礎(chǔ)共振頻率轉(zhuǎn)換器的尺寸相同。備選地，較高頻率轉(zhuǎn)換器可基于在其基礎(chǔ)共振頻率而非較高等級(jí)的諧波頻率下被驅(qū)動(dòng)的較薄的PZT。例如，O. 23英寸厚的PZT將具有470KHZ的基礎(chǔ)共振頻率以及1560KHZ的第三諧波頻率，而所述PZT的厚度將必須降低至大約O. 05英寸以獲得1560KHZ的基礎(chǔ)共振頻率。在其第三諧波頻率下操作的較厚的PZT比在其基礎(chǔ)共振頻率下操作的較薄的PZT更耐用并且更抗破裂變形。優(yōu)選地，具有多個(gè)第一轉(zhuǎn)換器(在基礎(chǔ)共振頻率下操作)以及多個(gè)第二轉(zhuǎn)換器(在第三諧波頻率下操作)并且它們以交替順序布置在安裝板上。轉(zhuǎn)換器以厚度模式操作并且優(yōu)選地是長(zhǎng)度橫越安裝板的一個(gè)尺寸延伸的長(zhǎng)矩形。在其他實(shí)施方式中，所述安裝板具有非均勻厚度。例如，安裝板可以不匹配轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)和諧波頻率。安裝板和轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率可能匹配，而第三諧波頻率不匹配。在這種情況中，安裝板的厚度在第二轉(zhuǎn)換器的安裝位置處被調(diào)節(jié)，使得第三諧波頻率被匹配。備選地，安裝板和轉(zhuǎn)換器的第三諧波頻率可以匹配，但基礎(chǔ)共振頻率不匹配。為了匹配基礎(chǔ)共振頻率，安裝板的厚度在第一轉(zhuǎn)換器的安裝位置處被調(diào)節(jié)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述安裝板具有不同厚度，該厚度選定為使得其基礎(chǔ)共振頻率匹配對(duì)應(yīng)的第一和第二轉(zhuǎn)換器的操作頻率。轉(zhuǎn)換器的安裝位置處的安裝板的厚度被選定為允許該安裝板在轉(zhuǎn)換器的操作頻率下以其基礎(chǔ)共振模式來共振。安裝板的厚度在較高頻率轉(zhuǎn)換器的位置將更薄?？赏ㄟ^機(jī)加工較厚的板以去除過量材料來得到較高頻率轉(zhuǎn)換器的位置處的安裝板的減小的厚度。備選地，所述板可以具有匹配轉(zhuǎn)換器的較高操作頻率的基礎(chǔ)共振頻率的薄板開始，并且可增加額外材料來使厚度增加至匹配較低操作頻率的基礎(chǔ)共振頻率所需的厚度。另一個(gè)備選方案是在樣式設(shè)置成得到安裝板的期望厚度的鑄模或模具中模具鑄造或模制安裝板。模具鑄造或模制過程可使用鋁或其他金屬。粉末金屬可用作制造安裝板的材料。優(yōu)選地，具有多個(gè)在基礎(chǔ)共振頻率下操作的第一轉(zhuǎn)換器以及多個(gè)在不同的基礎(chǔ)共振頻率下操作的第二轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器以交替順序布置在安裝板上。轉(zhuǎn)換器以厚度模式操作并且優(yōu)選地是長(zhǎng)度橫越安裝板的一個(gè)尺寸延伸的長(zhǎng)矩形。在又一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)置了具有在頻率范圍內(nèi)的多個(gè)不同操作頻率的多個(gè)轉(zhuǎn)換器的陣列?？梢詮淖畹偷阶罡卟僮黝l率的順序或另外以其他非順序布局來布置轉(zhuǎn)換器。該實(shí)施方式將與包括運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的箱體一起使用，運(yùn)輸機(jī)構(gòu)將待處理部件從箱體的一端運(yùn)送至另一端，由此使它們經(jīng)受由轉(zhuǎn)換器發(fā)出的所有各種頻率。說明書中描述的特征和優(yōu)點(diǎn)并不是窮盡性的，更具體地說，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮本申請(qǐng)的附圖、說明書以及權(quán)利要求書之后將清楚許多額外的特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，應(yīng)當(dāng)指出，說明書中使用的語(yǔ)言原則上選定為用于易讀性和解說目的，并且可能不是選定為描繪或界定本發(fā)明的主題，要確定本發(fā)明的主題則需要求助于權(quán)利要求書。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的兆聲波多頻處理系統(tǒng)的總立體圖。圖2是本發(fā)明的兆聲波多頻處理系統(tǒng)中使用的箱體的頂部立體圖。圖3是箱體的底部立體圖。圖4是箱體的側(cè)視圖。圖5是箱體的仰視圖。圖6是兆聲波多頻處理系統(tǒng)的示意圖以及箱體和附接到其上的兆聲波轉(zhuǎn)換器的剖視圖，所述兆聲波轉(zhuǎn)換器具有供應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)至轉(zhuǎn)換器從而在所述箱體內(nèi)的液體中形成兆聲波振動(dòng)的振蕩器。圖7是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與時(shí)間的圖表。圖8 (a)和8(b)是作為傳播穿過金屬安裝板的超聲波信號(hào)的頻率的函數(shù)的信號(hào)阻抗的圖表。圖9是采用具有均勻厚度的安裝板以及在第一和第三諧波頻率下操作的轉(zhuǎn)換器的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖。圖10是兩個(gè)安裝板的側(cè)視圖。圖11是采用在轉(zhuǎn)換器安裝位置具有兩種厚度的安裝板的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖。圖12是圖11的安裝板的立體圖。圖13是安裝板的側(cè)視圖。圖14是采用在轉(zhuǎn)換器安裝位置具有兩種厚度的安裝板的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖。圖15是采用轉(zhuǎn)換器陣列的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式僅為了示例說明的目的，附圖描繪了本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施方式。通過下面的論述，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)容易地認(rèn)識(shí)到，在不偏離在此描述的本發(fā)明的原理的情況下，可采用在此示出的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施方式。本發(fā)明的一個(gè)方面是將轉(zhuǎn)換器安裝板的基礎(chǔ)共振或更高的諧波頻率與安裝到其上的多頻轉(zhuǎn)換器的操作頻率匹配。所述轉(zhuǎn)換器具有不同的操作頻率，或基礎(chǔ)共振或更高的諧波頻率，從而供應(yīng)混合兆聲波頻率至箱體或所述箱體中的待處理部件。所述轉(zhuǎn)換器是具有至少300KHz的基礎(chǔ)共振頻率的厚度模式兆聲波轉(zhuǎn)換器。所述兆聲波轉(zhuǎn)換器可被安裝在或附接至箱體的底部或側(cè)面，或封閉在所述箱體內(nèi)的可浸沒容器中。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器是以厚度模式操作的壓電晶體或壓電陶瓷(也稱為PZT)-例如鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛。將安裝板的厚度模式共振或諧波頻率與兆聲波轉(zhuǎn)換器的操作頻率匹配改善了從所述轉(zhuǎn)換器至箱體的能量傳送。轉(zhuǎn)換器安裝在安裝板、箱體的表面或其他結(jié)構(gòu)上。為了方便起見，轉(zhuǎn)換器安裝到其上的任何結(jié)構(gòu)在此都將稱為安裝板，但是該術(shù)語(yǔ)旨在包括所有轉(zhuǎn)換器安裝結(jié)構(gòu)(無論與箱體結(jié)構(gòu)一體形成或分隔開)。安裝板的材料可以是金屬、高科技陶瓷、碳、石英或具有用于傳遞聲音的高能力的其他物質(zhì)。僅為了示例說明的目的，所引用的頻率基于不銹鋼。上面引用的每種材料都具有其自身的厚度模式頻率。 如圖1-6所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是包括清潔箱體12的清潔系統(tǒng)10，所示清潔箱體12容納有清潔液體或溶液14以及待清潔的一個(gè)或多個(gè)零件15。兆聲波能量通過附接至箱體12的底部或者附接至安裝板20 (所述安裝板20附接至所述箱體或者與所述箱體一體形成)的兆聲波頻率轉(zhuǎn)換器16和18施加至清潔液體14。備選地，兆聲波轉(zhuǎn)換器可附接至箱體的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面或浸入箱體。優(yōu)選地，兆聲波轉(zhuǎn)換器16和18具有粘合地結(jié)合或以其他方式附接至箱體12或安裝板20的壓電元件(PZT)。轉(zhuǎn)換器16和18可粘合地結(jié)合或以其他方式附接至碳化硅板，所述碳化硅板又附接至箱體12或安裝板20。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換器16和18與箱體12或安裝板20之間的結(jié)合層22由多孔銅箔和阻抗匹配粘合劑構(gòu)成。備選地，所述結(jié)合層可由環(huán)氧樹脂或用于模制結(jié)合半導(dǎo)體芯片至封裝基體的其他粘合劑構(gòu)成。壓電元件可以是具有均勻厚度的正方形、矩形或圓形盤，或其他形狀。例如，為了在lOOOKHz的標(biāo)稱頻率下操作，壓電元件將具有大約O. 08英寸的厚度并且石英箱體12的底部將具有大約O. 20英寸的厚度。轉(zhuǎn)換器16和18以及清潔系統(tǒng)10僅是轉(zhuǎn)換器和包含本發(fā)明的裝置的一個(gè)示例。如圖3-6所示，轉(zhuǎn)換器16和18優(yōu)選地為矩形并且以交替順序布置成彼此平行，每種轉(zhuǎn)換器都具有包括在所述交替順序中的多個(gè)。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換器16和18覆蓋箱體12的底部表面的絕大部分，優(yōu)選地至少80%。期望產(chǎn)生兆聲波能量并且將其傳送至箱體12和流體14，均勻地遍及轉(zhuǎn)換器16和18附接至其上的表面的整個(gè)區(qū)域。通過轉(zhuǎn)換器覆蓋箱體底部的表面區(qū)域的高百分比確保傳送至流體14的兆聲波能量相對(duì)均勻。如圖6所示，轉(zhuǎn)換器16和18通過由可編程振蕩器26經(jīng)由電導(dǎo)線24供給的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。振蕩器26由使用者通過使用者輸入器件或界面28來編程，以設(shè)置振蕩器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特性。兆聲波頻率壓電轉(zhuǎn)換器以厚度模式操作，使得施加的電壓導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的厚度膨脹和收縮。這種膨脹和收縮通過箱體12或安裝板20傳遞至箱體中的流體14和物體15。如圖6通過虛線所示，假定轉(zhuǎn)換器16和18在箱體12的底部上，這些兆聲波頻率振動(dòng)主要是水平波。如圖6中的箭頭所示，這些波向上傳播并且傳送從箱體中的物體15清潔或分離的顆粒。這就是稱作微流動(dòng)的過程，在所述微流動(dòng)中具有離開兆聲波能量源的向上網(wǎng)狀移動(dòng)。如圖I和2所示，箱體具有堤部21，過量的流體和顆粒在所述堤部21上方流動(dòng)，并且具有再循環(huán)和清潔流體的泵23和過濾器25。基礎(chǔ)共振頻率通常是轉(zhuǎn)換器的機(jī)械和電氣特性可最高效地傳遞聲波的頻率。在以厚度模式操作的兆聲波轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器的厚度決定基礎(chǔ)共振頻率。例如，O. 08英寸厚的轉(zhuǎn)換器將具有大約lOOOKHz的基礎(chǔ)共振頻率。O. 065英寸厚的轉(zhuǎn)換器將具有大約1230KHz的基礎(chǔ)共振頻率。O. 05英寸厚的轉(zhuǎn)換器將具有大約1600KHZ的基礎(chǔ)共振頻率。在此使用的術(shù)語(yǔ)“共振頻率”意指最低基礎(chǔ)頻率，在該頻率下所安裝的轉(zhuǎn)換器具有自然共振，有時(shí)稱為第一諧波頻率。類似轉(zhuǎn)換器和安裝板的結(jié)構(gòu)還具有高等級(jí)諧波頻率-例如大約三倍于所述基礎(chǔ)共振頻率的第三諧波頻率下的自然共振。轉(zhuǎn)換器可具有足夠 強(qiáng)大和高效以用于產(chǎn)生兆聲波能量的基礎(chǔ)共振頻率和第三諧波頻率。同樣，安裝板可具有在從轉(zhuǎn)換器傳遞兆聲波能量至箱體的內(nèi)容物方面高效的基礎(chǔ)共振頻率和第三諧波頻率。圖8(a)和8(b)示出了作為具有均勻厚度的不銹鋼安裝板的頻率的函數(shù)的信號(hào)阻抗。圖8 (a)示出了在470KHz的第一諧波或基礎(chǔ)共振頻率下的安裝板的低阻抗以及由此產(chǎn)生的良好傳遞。圖8(b)示出了相同不銹鋼安裝板在其1560KHZ的第三諧波頻率下具有低阻抗。低阻抗指示安裝板的共振。圖9示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其中安裝板具有均勻厚度并且轉(zhuǎn)換器16和18分別在它們的基礎(chǔ)共振(第一諧波)以及第三諧波頻率下操作。轉(zhuǎn)換器16和18構(gòu)造相同，但是一個(gè)在其基礎(chǔ)(第一諧波)共振頻率下被驅(qū)動(dòng)而另一個(gè)在其第三諧波頻率下被驅(qū)動(dòng)。例如，O. 23英寸厚的PZT將具有470KHz的第一諧波頻率以及1560KHz的第三諧波頻率。優(yōu)選地，較低頻率的轉(zhuǎn)換器16由一個(gè)振蕩器驅(qū)動(dòng)，而較高頻率的轉(zhuǎn)換器18由另一個(gè)振蕩器驅(qū)動(dòng)。備選地，轉(zhuǎn)換器18可設(shè)計(jì)成在均勻厚度安裝板的第三諧波頻率的基礎(chǔ)共振(第一諧波)頻率下操作。1560KHZ的第一諧波將需要PZT大約O. 05英寸厚，這明顯比O. 23英寸更薄。更薄的PZT可能在操作中不如較厚的PZT可靠，因?yàn)檩^厚的PZT抗破裂變形和損壞的能力更強(qiáng)。通過將轉(zhuǎn)換器與安裝板的基礎(chǔ)共振(第一諧波)頻率匹配，第三諧波頻率也將匹配或接近匹配。如果轉(zhuǎn)換器與安裝板的第一諧波頻率匹配而第三諧波沒有充分匹配，隨后可以調(diào)節(jié)安裝板的厚度。通過改變第三諧波轉(zhuǎn)換器的安裝位置處的安裝板的厚度，可對(duì)應(yīng)地調(diào)節(jié)安裝板的第三諧波頻率從而使其匹配轉(zhuǎn)換器的第三諧波頻率。增大厚度將使安裝板的諧波頻率降低，而減小厚度將提高諧波頻率。在另一個(gè)實(shí)施方式中，安裝板可在其基礎(chǔ)共振(第一諧波)頻率下與轉(zhuǎn)換器18的操作頻率匹配。本發(fā)明的這種實(shí)施方式在圖10和11中示出。圖10中示出了兩個(gè)安裝板；較厚的板32具有470KHZ的基礎(chǔ)共振(第一諧波)頻率而較薄的板34具有l(wèi)OOOKHz (IMeg)的基礎(chǔ)共振頻率。較厚的板32共振匹配470KHz的轉(zhuǎn)換器16，而較薄的板共振匹配lOOOKHz的轉(zhuǎn)換器18。為了使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器16和18，安裝板36具有兩個(gè)厚度-在較低頻率轉(zhuǎn)換器16的安裝位置38處較厚而在較高頻率轉(zhuǎn)換器18的安裝位置40處較薄。這在圖11中示出。為了得到用于較高頻率的安裝板的正確厚度，可以共振匹配較低頻率轉(zhuǎn)換器16的厚板開始，而隨后將板的某些區(qū)域機(jī)加工到較高頻率轉(zhuǎn)換器18所需的厚度。如圖12所示，較高頻率轉(zhuǎn)換器18的安裝位置40已機(jī)加工成較薄的厚度。用于較低頻率轉(zhuǎn)換器16的安裝位置38沒有被機(jī)加工。如圖13和14所示，可通過反轉(zhuǎn)該過程來實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果。以匹配較高頻率轉(zhuǎn)換器18的較薄的板34開始，在較低頻率轉(zhuǎn)換器16的安裝位置38處增加材料42從而增加共振匹配較低操作頻率所需的厚度。材料塊42可通過焊接、銅焊、用膠水或其他粘合劑粘合、燒結(jié)或其他過程來添加到較薄的板34。另一個(gè)備選方案是在樣式設(shè)置成得到安裝板的期望厚度的鑄模或模具中模具鑄造或模制安裝板。模具鑄造或模制過程可使用鋁或其他金屬。粉末金屬可用作制造安裝板的材料。優(yōu)選的是，安裝板上的厚度與將提供匹配轉(zhuǎn)換器的共振或諧波頻率的標(biāo)稱厚度的公差在O. 0005英寸內(nèi)?？梢酝ㄟ^最適用于高容積應(yīng)用的模具鑄造或模制來獲得更緊的公 差。如前面描述的，本發(fā)明包括兩組轉(zhuǎn)換器，每組都具有不同的操作頻率。但是本發(fā)明不限于僅兩個(gè)頻率，因?yàn)槠ヅ浒惭b板和轉(zhuǎn)換器的共振或諧波頻率的基本概念不限于僅兩個(gè)頻率。圖15示出了具有60個(gè)不同轉(zhuǎn)換器的陣列的實(shí)施方式，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都匹配至在其位置處的安裝板。轉(zhuǎn)換器44以步幅IOKHz在從470KHz至1060KHz的范圍內(nèi)。安裝板46具有從轉(zhuǎn)換器陣列的低頻率端的相對(duì)較厚至轉(zhuǎn)換器陣列的高頻率端的相對(duì)較薄的范圍內(nèi)的可變厚度。安裝板46的基礎(chǔ)共振(第一諧波)頻率匹配至其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器的操作頻率。這種多頻陣列在箱體中提供一系列兆聲波頻率。所述一系列兆聲波頻率可用于在箱體內(nèi)從一端至另一端自動(dòng)地或手動(dòng)地運(yùn)送待處理部件以使它們受到由轉(zhuǎn)換器陣列生成的所有頻率的連續(xù)清潔過程。頻率步進(jìn)可以向上或者向下。備選地，所述陣列可具有逐漸步進(jìn)至另一頻率的交替的低和高頻率轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式來實(shí)施其他順序或步進(jìn)將是可行的。這種多頻陣列的優(yōu)點(diǎn)是其大體上降低操縱被處理部件時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)使所述部件經(jīng)受多種不同的兆聲波頻率。降低操縱敏感部件造成的損壞的風(fēng)險(xiǎn)還提高了產(chǎn)量。本發(fā)明可受益于掃描驅(qū)動(dòng)頻率，如在我的美國(guó)專利7598654中描述的，該專利通過引用并入本申請(qǐng)中。如圖7所示，振蕩器26可根據(jù)時(shí)間改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率。例如，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率可以鋸齒樣式在被編程的掃描頻率范圍30內(nèi)線性地改變。振蕩器的掃描頻率范圍或頻帶寬度由使用者編程并且存儲(chǔ)在與振蕩器26關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器件中。頻率改變的速率通過由使用者編程的掃描速率確定并且存儲(chǔ)在振蕩器的存儲(chǔ)器件中。振蕩器可被編程為根據(jù)其他函數(shù)或程序來改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率并且無需局限于形成如圖7所示的三角波或鋸齒樣式的線性函數(shù)。頻率的改變可以是例如正弦、指數(shù)和其他函數(shù)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)本身可以是正弦、方形、三角形或其他波形。對(duì)向上(增加頻率)和向下(降低頻率)的掃描而言掃描速率無需相同。優(yōu)選地，使用者還可設(shè)置周期的數(shù)量并且可建立振蕩器關(guān)掉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的休息時(shí)間。通常，相同操作頻率的多個(gè)兆聲波轉(zhuǎn)換器用于給定任務(wù)或過程，在這種情況下通常用相同的振蕩器和驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所有這些轉(zhuǎn)換器。然而，在使用多個(gè)轉(zhuǎn)換器的情況下，由轉(zhuǎn)換器之間的性能差異和制造公差導(dǎo)致可能不會(huì)有單一的最佳頻率。生產(chǎn)公差導(dǎo)致兆聲波轉(zhuǎn)換器具有在3%至4%內(nèi)變動(dòng)的共振頻率。例如，在lOOOKHz下，4%的變動(dòng)將從標(biāo)稱lOOOKHz加上或減去20KHz，或者在980至1020KHz的范圍內(nèi)。在這些應(yīng)用中，根據(jù)本發(fā)明，適于反復(fù)掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率從而確保至少有時(shí)轉(zhuǎn)換器16和18在其共振或諧波頻率下或接近其共振或諧波頻率操作。為了使每個(gè)轉(zhuǎn)換器都在其共振或諧波頻率下或接近其共振或諧波頻率操作，振蕩器掃描過的頻率范圍設(shè)計(jì)成達(dá)到和超過一組轉(zhuǎn)換器的最低和最高共振頻率。振蕩器26的掃描頻率函數(shù)覆蓋該誤差范圍。所述頻率掃描函數(shù)可以是固定的或者其可被編程為在速度(每秒掃描)或范圍(最小和最大頻率)方面是可變的。本發(fā)明不限于與箱體一體形成的安裝板或結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器可封閉在可浸沒的盒子或容器中并且放置到箱體內(nèi)。如在此描述的，所述盒子或容器具有構(gòu)成安裝板的一個(gè)表面，所述表面的頻率匹配至轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的應(yīng)用不限于清潔操作。將安裝板與兆聲波多頻轉(zhuǎn)換器的操作頻率匹配的相同原理可應(yīng)用于兆聲波能量的微流動(dòng)的其他用途-例如非破壞性試驗(yàn)、或使用具有至少 300KHz的基礎(chǔ)共振頻率的厚度模式轉(zhuǎn)換器的任何其他應(yīng)用。將安裝板頻率與多頻轉(zhuǎn)換器匹配是形成改進(jìn)的并且活性更強(qiáng)的微流動(dòng)的傳送能量的高效方式，所述改進(jìn)的并且活性更強(qiáng)的微流動(dòng)改進(jìn)微流動(dòng)清潔的效率以及微流動(dòng)的其他用處。微流動(dòng)是通過釋放太弱而不能形成氣穴現(xiàn)象的超聲波能量來形成的能量液體的流動(dòng)。在超過300KHz的頻率下，不再存在氣穴現(xiàn)象而所述兆聲波頻率能量形成液體的流動(dòng)。通過上面的描述，應(yīng)當(dāng)清楚的是，在此公開的發(fā)明提供一種新型且有利的采用匹配頻率安裝板的兆聲波處理裝置和方法。前面的論述僅僅是對(duì)本發(fā)明的示例性方法和實(shí)施方式的公開和描述。如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的，在不偏離本發(fā)明的精神或必要特性的情況下，本發(fā)明可以各種其他形式來實(shí)施。因此，本發(fā)明的全部公開內(nèi)容將是示例性的，而非用于限制所附權(quán)利要求闡述的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種兆聲波處理裝置，包括 第一壓電轉(zhuǎn)換器，所述第一壓電轉(zhuǎn)換器具有至少300KHZ的基礎(chǔ)共振頻率并且具有第一操作頻率； 第二壓電轉(zhuǎn)換器，所述第二壓電轉(zhuǎn)換器具有至少300KHZ的基礎(chǔ)共振頻率并且具有與所述第一操作頻率不同的第二操作頻率； 所述第一和第二轉(zhuǎn)換器安裝于其上的安裝板，其中所述安裝板在所述第一轉(zhuǎn)換器的位置處具有第一厚度并且具有大體上等于所述第一操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率，并且其中所述安裝板在所述第二轉(zhuǎn)換器的位置處具有第二厚度并且具有大體上等于所述第二操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率； 適于容納流體和一個(gè)或多個(gè)待處理部件的箱體，其中所述安裝板操作性地聯(lián)接至所述箱體以便所述轉(zhuǎn)換器提供振動(dòng)至所述箱體及其容納物；以及 振蕩器，所述振蕩器聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)換器以便供應(yīng)所述第一和第二操作頻率下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一轉(zhuǎn)換器的第一操作頻率是其基礎(chǔ)共振頻率，并且其中所述第二轉(zhuǎn)換器的第二操作頻率是其第三諧波頻率。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一和第二轉(zhuǎn)換器具有大體上相同的尺寸。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述安裝板具有均勻的厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述安裝板的均勻厚度具有大體上等于所述第一轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率的基礎(chǔ)共振頻率。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述安裝板的均勻厚度具有大體上等于所述第二轉(zhuǎn)換器的第三諧波頻率的第三諧波頻率。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述安裝板的第一厚度具有大體上等于所述第一轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率的基礎(chǔ)共振頻率，并且其中所述安裝板的第二厚度具有大體上等于所述第二轉(zhuǎn)換器的第三諧波頻率的第三諧波頻率。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，進(jìn)一步包括多個(gè)第一轉(zhuǎn)換器以及多個(gè)第二轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器以交替順序布置在所述安裝板上。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一轉(zhuǎn)換器的第一操作頻率是其基礎(chǔ)共振頻率，其中所述第二轉(zhuǎn)換器的第二操作頻率是其基礎(chǔ)共振頻率，并且其中所述第一和第二轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率不同。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述安裝板的第一厚度具有大體上等于所述第一轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率的基礎(chǔ)共振頻率，并且其中所述安裝板的第二厚度具有大體上等于所述第二轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振頻率的基礎(chǔ)共振頻率。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述安裝板的第二厚度小于所述安裝板的第一厚度，并且其中通過從所述安裝板去除材料來形成所述第二厚度。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述安裝板的第二厚度小于所述安裝板的第一厚度，并且其中通過向所述安裝板上添加材料來形成所述第一厚度。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括多個(gè)第一轉(zhuǎn)換器和多個(gè)第二轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器以交替順序布置在所述安裝板上。
14.如權(quán)利要求I所述的裝置，進(jìn)一步包括額外的轉(zhuǎn)換器，所述額外的轉(zhuǎn)換器具有至少300KHz的基礎(chǔ)頻率并且每個(gè)都具有與其他轉(zhuǎn)換器的操作頻率不同的操作頻率。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)換器以從最低操作頻率開始并且步進(jìn)到最高操作頻率的順序布置。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，進(jìn)一步包括用于將待處理部件移動(dòng)通過所述箱體從而使所述部件經(jīng)受由每個(gè)轉(zhuǎn)換器提供的振動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述安裝板結(jié)合到所述箱體。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述安裝板與所述箱體一體形成。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述安裝板附接至所述箱體。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述安裝板具有均勻厚度，所述均勻厚度選定為使得所述安裝板具有大體上等于操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率。
21.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述安裝板具有一個(gè)以上的厚度，其中每個(gè)厚度都選定為使得所述安裝板具有大體上等于操作頻率的基礎(chǔ)共振或諧波頻率。
22.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述安裝板浸沒在所述箱體中。
23.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述振蕩器在包括所述轉(zhuǎn)換器的操作頻率的整個(gè)頻率范圍內(nèi)供應(yīng)可變頻率下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
全文摘要
一種兆聲波處理裝置，所述裝置將兆聲波厚度模式轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)共振或更高水平諧波頻率與所述轉(zhuǎn)換器安裝于其上的板或其他安裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)共振或更高水平諧波頻率進(jìn)行匹配。多頻轉(zhuǎn)換器是以厚度模式在不同操作頻率下操作的壓電轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器位置的安裝板的厚度被選定為提供與其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器的頻率相匹配的共振或諧波頻率。兩個(gè)或更多個(gè)兆聲波轉(zhuǎn)換器被結(jié)合至相同的輻射表面。
文檔編號(hào)H01L41/00GK102823006SQ201080061384
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者J.M.古德森 申請(qǐng)人:超聲波掃除公司