專利名稱：：超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在超聲波或兆聲波范圍內(nèi)產(chǎn)生和傳送能量的換能器，并特別涉及一種換能器，其中優(yōu)選為碳化硅或氧化鋁的陶瓷材料用作諧振器和/或代替在這種換能器中的金屬材料。超聲換能器用于產(chǎn)生和傳送預(yù)定頻率的波能量到裝在容器中的液體。例如參見題目為超聲波清潔系統(tǒng)、裝置及其方法的美國(guó)專利No.3,575,383。這種類型的換能器可被用于例如超聲波清潔裝置中。該換能器一般被安裝到容納液體的容器該側(cè)或下側(cè)，或安裝在被浸入由金屬、塑料或玻璃制成的容器內(nèi)的液體中的密封盒。然后，單個(gè)換能器或多個(gè)換能器被用于激勵(lì)具有聲波能量的液體。一旦用聲波能量激勵(lì)時(shí)，該液體達(dá)到渦凹。這種類型的換能器也稱為“疊層”類型換能器，因?yàn)樗哂袏A在前部塊(前激勵(lì)器)和后部塊(后激勵(lì)器)之間的一個(gè)或多個(gè)晶體。疊層類型換能器應(yīng)用于例如，塑料焊接、引線接合、白內(nèi)障和其它醫(yī)學(xué)外科設(shè)備，及其它的設(shè)備。傳統(tǒng)的換能器示于圖1并包括矩形基座1、一對(duì)電極2a和2b、壓電晶體3、絕緣子4、反射體5、墊圈6和螺栓7。然而，當(dāng)用高頻電源激勵(lì)時(shí)，傳統(tǒng)的換能器產(chǎn)生在20到100KHz頻率范圍內(nèi)的弱振動(dòng)。傳統(tǒng)的換能器證明由于各種外部因素使頻率偏移+/-3KHz的趨勢(shì)。這個(gè)偏移需要定期地調(diào)節(jié)激勵(lì)換能器的振蕩電路的頻率，以便與偏移相適應(yīng)。與異相振蕩有關(guān)的一個(gè)問(wèn)題在于，它使壓電晶體的溫度增加。由于壓電晶體在它們的溫度到達(dá)居里點(diǎn)時(shí)不再起作用，就有使晶體永久降低的可能性。于是，本發(fā)明的目的是提供一種具有在預(yù)定頻率上產(chǎn)生穩(wěn)定信號(hào)的優(yōu)良聲性能的增強(qiáng)型超聲換能器。本發(fā)明是一種增強(qiáng)型超聲換能器，用于產(chǎn)生和傳送預(yù)定頻率的超聲波能量到物體的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，諧振器插在前部塊和壓電晶體之間。諧振器由具有等于或大于物體的聲速的材料，優(yōu)選為諸如碳化硅或氧化鋁之類的陶瓷制成。在優(yōu)選實(shí)施例中，前部塊和后部塊也都由陶瓷材料制成。通過(guò)結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將得到更好地理解。圖1是傳統(tǒng)的換能器的部件分解透視圖。圖2a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)換能器實(shí)施例的部件分解透視圖。圖2b是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)換能器實(shí)施例的部件分解透視圖。圖3a是表示作為通過(guò)具有金屬部件的現(xiàn)有技術(shù)換能器產(chǎn)生的頻率的函數(shù)的信號(hào)和阻抗曲線圖。圖3b是表示作為通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的換能器產(chǎn)生的頻率的函數(shù)的信號(hào)和阻抗的曲線圖。圖4a是表示作為通過(guò)具有金屬部件的現(xiàn)有技術(shù)換能器產(chǎn)生的頻率的函數(shù)的信號(hào)和阻抗曲線圖。圖4b是表示作為通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的換能器產(chǎn)生的頻率的函數(shù)的信號(hào)和阻抗的曲線圖。圖5是表示用作塑料組件的超聲波焊接的本發(fā)明的換能器組件的示意圖。圖6是表示用作引線接合的超聲波焊接的本發(fā)明的換能器的示意圖。圖2a表示根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)型超聲換能器的一個(gè)實(shí)施例。該換能器包括基座或前部塊11、諧振增強(qiáng)盤或諧振器12、電極13a和13b、壓電晶體14、絕緣構(gòu)件15、反射器或后部塊16、墊圈17、螺栓18、和酚醛襯墊19。前部塊11一般呈圓柱形的和由適合的金屬，例如鋁或不銹鋼制成。前部塊11適于連接到容納液體的容器，例如清潔水箱的表面。連接到前部塊11的是諧振增強(qiáng)盤或諧振器12。該諧振器12可由包括鋁、陶瓷、不銹鋼或含鉛鋼的材料制成，但并不局限于這些材料。諧振器材料應(yīng)該適于容易地傳送超聲波能量，具體地說(shuō)，諧振器材料將具有諸如大于或等于物體的鄰接塊的聲速度之類的傳輸特性，以便得到諧振增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。也就是，諧振器必須位于壓電晶體之間和使聲音透過(guò)物體的表面，并該諧振器必須具有相同于或高于物體的聲傳輸速度。優(yōu)選的是諧振器12由陶瓷材料制成，最優(yōu)選的是氧化鋁或碳化硅。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)確定了陶瓷、金屬或其它材料的聲特性，并通過(guò)參照Selfridge于1985年5月的聲波和超聲波的ISEE處理的卷SU-32，No.3發(fā)表的各向同性材料中的近似材料特性可容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)根據(jù)本發(fā)明的組件使用材料的適當(dāng)選擇，該文章收作參考。電極13a和13b一般是諸如鋁、黃銅或不銹鋼之類的導(dǎo)電金屬。壓電晶體14一般由鋯酸鈦酸鉛制成的，并在一個(gè)實(shí)施例中，直徑為0.50到4.00吋范圍和厚度為0.10-0.50吋的范圍。絕緣子15是普通的介質(zhì)。金屬反射器或后部塊16一般呈圓柱形并象前部塊一樣用鋼或含鉛鋼制成。通過(guò)使螺栓18擰緊到從低功率應(yīng)用的150吋一磅到高功率應(yīng)用的500呎一磅的轉(zhuǎn)矩壓力范圍，上面所述的所有部件被安裝和連接到基塊11。最佳地，轉(zhuǎn)矩壓力對(duì)于低功率應(yīng)用(5到25W)是在200到300吋一磅之間，和對(duì)于高功率應(yīng)用(等于3000W)是在300到500呎一磅之間。基座11、諧振器12和反射器16的厚度被選擇為在介質(zhì)中縱向聲音振動(dòng)的1/4波長(zhǎng)(λ/4)的整數(shù)倍。在換能器的壓電晶體14和基座11之間的諧振器12的襯墊使諧振頻率信號(hào)的強(qiáng)度增加30-40％。此外，減少了頻率的周期性偏移，和穩(wěn)定了壓電晶體的溫度。諧振器12的襯墊也會(huì)導(dǎo)致呈現(xiàn)代替原來(lái)或除了原來(lái)諧振頻率以外的新諧振頻率。例如，通過(guò)把0.20吋碳化鋁諧振器插入換能器疊層，呈現(xiàn)代替46KHz、122KHz和168KHz的59KHz、101KHz、160KHz的頻率。諧振器的替換可用產(chǎn)生相同結(jié)果的同樣的不銹鋼、鋁和順磁含鉛鋼的材料制成。于是，當(dāng)通過(guò)在新?lián)Q能器組件中壓電阻抗(歐姆)的減小測(cè)量時(shí)，諧振器由使所有原始諧振頻率的強(qiáng)度增加30-60％的陶瓷和金屬制成。這種增強(qiáng)大大地增加了超聲換能器的效率和使它產(chǎn)生穩(wěn)定的預(yù)定頻率信號(hào)。當(dāng)使用傳統(tǒng)的方法從40KHz換能器變到80KHz換能器時(shí)，垂直和水平尺寸被減半，和該塊減小到原始尺寸的1/4。這便導(dǎo)致在換能器傳送聲波的能力方面相應(yīng)減小。然而，由于本發(fā)明的使用，40KHz換能器可改變成196KHz換能器，而不需要減小晶體的垂直和水平尺寸。在一次試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，在122KHz比在40KHz的原始固有頻率上建立增強(qiáng)的40KHz晶體的壓力要大。應(yīng)該注意，諧振增強(qiáng)盤由聚合材料，特別是高密度聚四氟乙烯制成，不能起由金屬和陶瓷制成的盤增加原始諧振頻率的強(qiáng)度的作用。在不受特定理論的限制的情況下，可相信是由于諸如高密度聚四氟乙烯的材料衰減，而不是傳送超聲波能量。于是，有用于作諧振增強(qiáng)盤的這些材料不包括這種衰減材料，而應(yīng)包括能起增加原始諧振頻率的強(qiáng)度的作用的任何材料。通過(guò)使用由陶瓷材料制成的諧振器，該陶瓷材料被選擇為具有等于或好于鄰接塊的聲傳輸特性(即、傳送聲音的換能器或其它金屬的或石英材料以執(zhí)行其預(yù)定的作用)，可得到下列優(yōu)點(diǎn)(1)增強(qiáng)聲音的清晰度；(2)頻率可上升到較高固有頻率(高達(dá)500％)；(3)降低阻抗電平，由此改善聲音的傳輸；和(4)由壓電晶體產(chǎn)生的功率是與頻率沒(méi)有被移動(dòng)的功率相同。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，陶瓷材料替換在換能器疊層中的金屬材料，由此導(dǎo)致具有優(yōu)良聲性能的增強(qiáng)設(shè)備，如將要更詳細(xì)描述的。參照?qǐng)D2b，根據(jù)本實(shí)施例的換能器除了去除墊圈17以外與圖2所示的相同。前部塊和后部塊由陶瓷材料，優(yōu)選為碳化硅或氧化鋁制成。如前面所討論的，其優(yōu)點(diǎn)是，在疊層中具有諧振器12，它也可由陶瓷材料，例如氧化鋁或碳化硅制成。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在聲特性方面的有效改進(jìn)僅通過(guò)用陶瓷材料代替在換能器疊層中的金屬來(lái)得到的。于是，雖然已對(duì)最大的好處作了一定介紹，在本實(shí)施例中不需要包括諧振器12。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些陶瓷材料具有適當(dāng)?shù)奈锢硖匦裕员憧捎媒饘倩Q，但是也具有優(yōu)良的聲特性。在構(gòu)造傳送超聲波聲音的超聲設(shè)備和換能器中，用陶瓷材料，例如氧化鋁或碳化硅代替在基座11和在反射器16中的金屬(主要是不銹鋼、鋁和鈦)是可能的，導(dǎo)致了優(yōu)良的聲特性(1)改進(jìn)和增強(qiáng)現(xiàn)有頻率的特性；(2)使它易于得到較高的頻率；和(3)允許使用較低頻率PZT’s來(lái)建立與較低頻率的功率相同的較高頻率，用先前的全部金屬前部和后部塊(或僅前部塊)的設(shè)計(jì)是不可能實(shí)現(xiàn)的。陶瓷材料，例如氧化鋁和碳化硅可提供極好的平直度，和可滿足或超過(guò)金屬的強(qiáng)度和耐久性的要求以及仍能得到改進(jìn)的聲特性，如由表1所列的選擇材料的相對(duì)聲特性表示的</tables>于是，在現(xiàn)今大多數(shù)應(yīng)用中所使用的最好的可用金屬是鋁，例如，優(yōu)于鋁的碳化硅具有2.034。這是由計(jì)算得出13.06(碳化硅指數(shù))÷6.42(鋁指數(shù))＝2.034。例如，如果0.2吋諧振器由碳化硅制成，并插入疊層中代替由鋁制成的諧振器，該疊層必須除去0.4068吋的鋁。同樣地，如果1吋鋁前部塊整個(gè)變成碳化硅，前部塊的高度就變成1÷(13.06÷6.42)＝0.4916吋。同樣通過(guò)使用適當(dāng)?shù)穆曋笖?shù)變換后部塊。整個(gè)換能器或傳輸設(shè)備將表示如果所有的部件由具有比它們代替的金屬的聲特性更好的陶瓷制成情況的改型。碳化硅是一種用來(lái)構(gòu)成傳送超聲波聲音的換能器或設(shè)備的所有部件的優(yōu)良陶瓷。相對(duì)于其它已知的金屬或材料來(lái)說(shuō)，碳化硅是較平直、較硬(除了金鋼石以外)、更耐用和更好的聲特性。碳化硅可用作諧振器、前部塊、后部塊、或傳輸容器如下(1)作為容納超聲激盛的液體的諧振容器，用于清潔、洗滌、除油、涂復(fù)和處理等；(2)作為具有超聲液體處理器傳送設(shè)備；(3)作為供超聲引線或楔形焊接機(jī)使用的毛細(xì)管或楔子；(4)作為從塑料組件或焊接機(jī)接收聲信號(hào)的集音器；(5)作為引爆用超聲波點(diǎn)燃的導(dǎo)彈、魚雷、或其它爆炸設(shè)備的引爆設(shè)備；(6)用于超聲焊接或粘接的聲音的傳送器。碳化硅在聲特性方面比在從超聲波中得到它們的能量的線焊和楔焊中使用的其它陶瓷優(yōu)良在于(1)根據(jù)其13.06的聲指數(shù)值設(shè)計(jì)的毛細(xì)管要比氧化鋁(10.52)優(yōu)良；和(2)優(yōu)于用作楔焊的碳化鎢。用陶瓷代替金屬的性能改進(jìn)可在圖3a和3b中表示，圖中表示了在單組換能器中包括3,000到5,000W的超聲清潔換能器。圖2a表示通過(guò)具有金屬部件的68KHz疊層的換能器產(chǎn)生的信號(hào)，而圖2b表示通過(guò)具有陶瓷部件的68KHz疊層的換能器產(chǎn)生的信號(hào)。注意與金屬疊層相比較的陶瓷換能器疊層的尖峰信號(hào)。而且，當(dāng)陶瓷替代金屬時(shí)，阻抗落在84.613到37.708范圍內(nèi)。較低的阻抗與聲音的更好傳輸和更大效率有關(guān)。在低功率換能器的應(yīng)用中當(dāng)陶瓷替代金屬時(shí)所得的改進(jìn)的另一個(gè)例子示于圖4a和4b中。圖4a表示用具有陶瓷元件的換能器疊層產(chǎn)生的信號(hào)。由此可見，在圖3b中圖示的陶瓷疊層產(chǎn)生兩個(gè)可用的頻率，即具有193歐姆的80KHz，和具有127歐姆的164KHz。根據(jù)上文，通常這些熟悉的換能器和超聲波的人們將理解為，本發(fā)明已應(yīng)用在許多場(chǎng)合，包括但不局限于超聲波清潔或精密清潔，超聲波塑料組件或塑焊、超聲擦膠焊、超聲線焊(即用金或鋁線)、非破壞的超聲測(cè)試裝置、超聲元件爆炸器(也稱為液體處理器)、超聲波乳化器，從200-1200KHz頻率的兆超聲波、醫(yī)學(xué)超聲波和噴霧器。其它可能的應(yīng)用包括軍用水聽器、測(cè)深機(jī)、熔斷設(shè)備、液面指示器、聲波發(fā)射器、導(dǎo)彈發(fā)射器、導(dǎo)彈、聲納浮標(biāo)、目標(biāo)、電話、地下底斷面形狀、環(huán)形激光回轉(zhuǎn)儀、魚雷發(fā)射器、魚雷。汽車爆震檢測(cè)器、無(wú)線電濾波器、車胎磨損指示器、燃料霧化、火花引燃、無(wú)鑰匙門入口、輪均衡器、閥座皮帶、蜂音器、氣流和輪胎壓力指示器、聲音報(bào)警。商業(yè)超聲波含水的清潔器、超聲波半含水清潔器、超聲線焊、超聲楔焊、厚度測(cè)量、液面指示器、地音探測(cè)器、tv和無(wú)線電諧振器、引燃系統(tǒng)、繼電器、非破壞性的材料測(cè)試、液體處理、超聲波塑料焊接器、超聲波鎖線裝訂機(jī)、超聲波除油器、探傷、流量表、超聲波鉆孔、延遲線、飛機(jī)信標(biāo)定位器、通風(fēng)器、油墨印刷、報(bào)警系統(tǒng)。醫(yī)用微腦外科、超聲白內(nèi)障切除、胰島素泵、流量表、超聲波成象、汽化器、液體處理器、超聲解剖、超聲療法、致命的心臟檢測(cè)器、噴霧器、處置病人監(jiān)測(cè)器，超聲牙科設(shè)備、細(xì)胞分裂器。用戶加濕器、電話設(shè)備、微波爐、唱機(jī)針座、香煙點(diǎn)火器、樂(lè)器、魚群探測(cè)器、氣體烘烤引燃、吸煙檢測(cè)器、珠寶類工藝品清潔器、揚(yáng)聲器、防衛(wèi)發(fā)光體、超聲波鎖線裝訂機(jī)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5和6對(duì)本發(fā)明的其它實(shí)施例予以描述。圖5表示供超聲波塑料焊接的換能器疊層30的裝置。在該疊層中，具有陶瓷后部塊或后激勵(lì)器31、壓電晶體32a和32b、設(shè)備在晶體之間的鋁電極33、陶瓷諧振器34和陶瓷前部塊或前激勵(lì)器35。為此用途，換能器30用螺栓37連接到焊接喇叭36，以使前部塊35與焊接喇叭連接。焊接喇叭36與超聲接合的部件相連。該設(shè)備通常稱為變換器，并能處理到達(dá)3000W的高功率塑料焊接。圖6表示供引線接合使用的換能器疊層40。在該疊層中，具有陶瓷后部塊或后激勵(lì)器41、壓電晶體42a和42b及42c、聯(lián)鎖黃銅電極43a和43b、陶瓷諧振器44和陶瓷前部塊或前激勵(lì)器45。為此用途，換能器用螺釘或螺栓47按與前面的實(shí)施例相同的方法連接到喇叭48，以使前部塊與喇叭相連。通常這種設(shè)備稱為用于引線焊接的電極，并能處理大約10到15W的低功率焊接的要求。在大多數(shù)的例子中，其優(yōu)點(diǎn)可以是，具有陶瓷諧振器和介入陶瓷塊而不是具有單個(gè)陶瓷塊。也可以完全除去前部塊并具有直接焊接在晶體或諧振器和有關(guān)的表面之間?？傊?，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的超聲換能器，用于產(chǎn)生和傳送預(yù)定頻率的超聲波能量。該改進(jìn)屬于諧振器的使用和/或陶瓷材料，優(yōu)選的碳化硅或氧化鋁代替在換能器疊層中的金屬元件。一旦本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解如在此公開的用陶瓷材料代替金屬的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，在換能器疊層中所需的元件的厚度可容易地用最佳性能確定，并可容易地確定對(duì)特定應(yīng)用所需的特定的幾何形狀。然而，應(yīng)該理解為，本發(fā)明企圖不受以上所述的實(shí)施例的特定所限制，而是由附加權(quán)利要求所規(guī)定。權(quán)利要求1.一種用于產(chǎn)生和傳送超聲波能量到一個(gè)物體的裝置，包括在壓電材料的相對(duì)側(cè)設(shè)置的第一和第二電極，該改進(jìn)包括設(shè)置在電極之一附近的一個(gè)諧振器，它的電極被設(shè)置在壓電材料和物體之間，其中諧振器是由具有等于或大于物體的聲速度的材料制成的。2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中諧振器由陶瓷材料制成。3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中物體是由與諧振器相同的材料制成的。5.一種用于產(chǎn)生和傳送聲波能量到有關(guān)的表面的超聲換能器，包括，一個(gè)壓電晶體，一個(gè)由陶瓷材料制成的和連接在壓電晶體和有關(guān)的表面之間的前部塊，和一個(gè)由陶瓷材料制成的和連接到相對(duì)前部塊的壓電晶體的后部塊。6.根據(jù)權(quán)利要求5的超聲換能器，還包括由陶瓷材料制成的并設(shè)置在前部塊和壓電晶體之間的諧振器。7.根據(jù)權(quán)利要求5的超聲換能器，還包括由陶瓷材料制成的和設(shè)置在后部塊和壓電晶體之間的絕緣子。8.根據(jù)權(quán)利要求5的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。9.根據(jù)權(quán)利要求6的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。10.根據(jù)權(quán)利要求7的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。11.根據(jù)權(quán)利要求5的換能器疊層，還包括設(shè)置在前部塊和壓電晶體之間的第一電極和設(shè)置在后部塊和壓電晶體之間的第二電極。12.一種用于產(chǎn)生和傳送聲波能量到有關(guān)的表面的超聲換能器疊層，包括一個(gè)由陶瓷材料制成并連接到有關(guān)的表面的前部塊，一個(gè)由陶瓷材料制成的后部塊，至少兩個(gè)設(shè)置在前部塊和壓部塊之間的壓電晶體，和一個(gè)設(shè)置在至少兩個(gè)壓電晶體之間的電極。13.根據(jù)權(quán)利要求12的超聲換能器，還包括一個(gè)由陶瓷材料制成的并設(shè)置在前部塊和壓電晶體之一之間的諧振器。14.根據(jù)權(quán)利要求12的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。15.根據(jù)權(quán)利要求13的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。16.一種用于產(chǎn)生和傳送聲波能量到有關(guān)的表面的超聲換能器疊層，包括一個(gè)由陶瓷材料制成的和連接到有關(guān)的表面的前部塊，一個(gè)由陶瓷材料制成的后部塊，多個(gè)設(shè)置在前部塊和后部塊之間的壓電晶體，和一個(gè)設(shè)置在至少兩個(gè)壓電晶體之間的電極。17.根據(jù)權(quán)利要求11的超聲換能器，還包括一個(gè)由陶瓷材料制成的和設(shè)置在前部塊和壓電晶體之間的諧振器。18.根據(jù)權(quán)利要求11的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。19.根據(jù)權(quán)利要求12的換能器疊層，其中陶瓷材料是碳化硅或氧化鋁。全文摘要一種用于產(chǎn)生和傳送預(yù)定頻率的超聲波能量到物體的表面的超聲換能器。在一個(gè)實(shí)施例中,諧振器(12)插在前部塊(11)和壓電晶體(14)之間。諧振器由具有聲速度等于或大于物體的材料,優(yōu)選為諸如碳化硅或氧化鋁之類的陶瓷材料制成。在另一個(gè)實(shí)施例中,前部塊(11)和后部塊(16)由陶瓷材料制成。文檔編號(hào)H04R17/00GK1196862SQ97190824公開日1998年10月21日申請(qǐng)日期1997年5月9日優(yōu)先權(quán)日1996年5月9日發(fā)明者J·M·古德森申請(qǐng)人:克里斯特超聲波公司