专利名称：装套筒的超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及超声发生器、换能器和变换器，以及更具体地，涉及具有两件式的头端块或前端驱动器的超声换能器，其中一个块提供良好的螺纹完整性，另一个块提供良好的声和/或热传递性质。
背景技术：
典型的现有技术堆叠式超声换能器或变换器10和12被显示在图1和2。两种换能器10和12具有多个压电晶体或换能器(PZT)14，它们是环状的，且位于尾部块或后端驱动器16与头端块或前端驱动器18(图1)或20(图2)之间。螺栓22以螺纹旋入头端块18或20中的内螺纹，以便将变换器保持在一起和挤压在头端块与尾部块之间的PZT 14。绝缘套筒23使得PZT 14与螺栓22绝缘，以及电触点25提供与PZT的电连接。带螺纹的延伸部分24把变换器连接到增强器或喇叭(未示出)，以便使用于超声焊接或类似的应用。PZT以厚度模式工作，这意味着它们主要沿换能器的中心轴26的方向扩张和收缩。头端块18或20变尖，以便放大PZT 14的振动幅度。
在图1上，头端块18是单一材料，诸如铝或钛。铝具有优点它具有高的热容量，这对于作为把热量从PZT传出的散热片是有用的。然而，铝是相当软的金属，且它对于夹持螺栓22和带螺纹的延伸部分24所需要的螺纹相应是弱的。钛比起铝来说具有优越的材料强度和螺纹强度，但具有较低的热容量，且不能像铝那样有效地吸收热量。
图2所示的换能器12在头端块的螺纹区域用钛替换铝。两件式的头端块20在靠近PZT 14的相邻的块28中是由铝组成，且在尾部块30中是由钛组成，该尾部块包含内螺纹，以便与螺栓22和带螺纹的延伸部分24相配合。这样的两件式的头端块20设计的缺点在于，它不如单块的头端块(图1)工作得好，因为用两种材料会影响变尖的头端块的幅度增益和从PZT到增强器或喇叭的超声振动能量的传输。
在其他应用中，超声换能器可被附着到超声振动能量要被传送到的表面。例如，该表面可以是装清洗溶液且其中插入要被超声清洗的物体的容器的外表面。在这样应用中，超声换能器可被粘结地接合到容器表面。然而，如果容器的材料和前端块的表面不同，它们的热膨胀系数可能不一致，这会造成粘结的接合失败。容器可能由石英制成以及换能器的前端块可能由铝制成，它们的热膨胀系数有很大的不同。
发明内容
总之，本发明是装套筒的超声换能器，包括用于头端块的一部分的带螺纹的套筒和用于头端块的另一个部分的不同的材料制成的外壳。由于头端块由两个部分组成，它们用不同的材料制成，每个部分被选择成使得不同的性质或功能最佳化。带螺纹的套筒优选地是诸如钛那样的材料，它提供优越的螺纹强度，用于与螺栓和带螺纹的延伸部分(如果有的话)相配合，而外壳优选地是铝或陶瓷，它提供良好的散热容量和/或振动能量的传输。这两个部件的组合提供改进的超声换能器。
更具体地，本发明的超声换能器包括一个或多个盘形压电晶体，其中每个压电晶体具有一个轴向孔；尾部块位于压电晶体的一侧，其中尾部块包括一个轴向孔；头端块位于压电晶体的与尾部块相反的一侧，其中头端块具有带内部螺纹的轴向孔；以及螺栓，被放置在每个压电晶体的轴向孔和尾部块与头端块的轴向孔内，以及以螺纹旋入头端块的带内螺纹的轴向孔，其中螺栓挤压头端块与尾部块之间的压电晶体。头端块包括由不同的材料构成的两个部件，包括带螺纹的套筒，该套筒具有带内部螺纹的轴向孔和具有直径减小的部分，以及还包括外壳，该外壳在轴向上在带螺纹的套筒的直径减小的部分以外。
优选地，带螺纹的套筒和外壳在垂直于换能器的轴线的一个面上具有配合接触面。还优选地，带螺纹的套筒的直径减小的部分的外径基本上等于一个或多个压电晶体的内径。
在说明书中描述的特性和优点不是穷举的，具体地，在本发明的附图、说明书和权利要求书中，许多附加特性和优点对于本领域技术人员是显而易见的。而且，应当看到，藉助于对于确定这样的本发明的主题所必须的权利要求，在说明书中使用的语言主要被选择成为了可读性和教导的目的，而不是被选择来描述或限定本发明的主题。例如，说明书可交换地使用术语换能器、变换器和发生器，是指响应于电驱动信号生成超声振动的器件。术语压电晶体可以与术语压电换能器和PZT交换地使用。另外，术语头端块或前端驱动器被交换地使用，是指换能器(或变换器或发生器)的部分，超声振动能量通过它传送到感兴趣的物体。同样地，术语尾部块或后端驱动器被交换地使用，是指与头端块(或前端驱动器)相反的换能器(或变换器或发生器)的部分，它提供一个平衡压电晶体的振动的块。
图1是具有由单一金属材料组成的头端块的现有技术超声换能器的侧向剖面图。
图2是另一个现有技术超声换能器的侧向剖面图，这个超声换能器具有由两种金属材料组成的两件式的头端块。
图3是按照本发明的超声换能器的第一实施例的头端块的带螺纹的套筒的侧向剖面图。
图4是按照本发明的超声换能器的第一实施例的头端块的外壳的侧向剖面图。
图5是按照本发明的超声换能器的侧向剖面图，该超声换能器使用图3的钛套筒和图4的铝外壳。
图6是图5的换能器的装套筒的超声换能器的侧视图。
图7是如图2所示的具有两件式的铝/钛前端驱动器的换能器的阻抗-频率图。
图8是按照本发明的装套筒的超声换能器的第一实施例的阻抗-频率图。
图9是类似于图3-6的换能器的按照本发明的装套筒的超声换能器的另一个实施例的侧向剖面图。
图10是按照本发明的超声换能器的另一个实施例。
图11是按照本发明的装套筒的超声换能器的再一个实施例的侧向剖面图。
图12是图11的换能器的侧视图。
图13是按照本发明的装套筒的超声换能器的再一个实施例的侧向剖面图。
具体实施例方式
附图显示仅仅用于说明目的的本发明的各种优选实施例。本领域技术人员从以下的讨论容易看到，可以采用这里描述的结构和方法的替换实施例，而不背离这里描述的本发明的原理。
如图3-6所示，按照本发明的装套筒的超声换能器40具有两件式头端块42，它包括一种材料的有内螺纹的套筒44和另一个种材料的带有埋头孔的外壳46。优选地，带螺纹的套筒44由诸如钛或其他金属的材料组成，这些材料具有用于螺纹的足够强度的材料。另外，优选地，外壳由诸如铝、其他金属、或陶瓷或其他非金属材料那样的材料组成，这些材料提供有利的热和/或声性质，包括热传导、热膨胀和/或由PZT(压电换能器或石英)14生成的振动能量的有效的传导。
带螺纹的套筒44具有内螺纹48，它与螺栓22和带螺纹的延伸部分24的外螺纹配合。外壳46具有与PZT堆叠块接触的平坦的上表面50，和埋头孔52，它与带螺纹的套筒44的直径减小的部分54套叠或配合。外壳46具有垂直于换能器的轴且接触带螺纹的套筒44的肩部58的平坦的下表面56。螺栓22把PZT 14挤压到外壳46的上表面50，以及把下表面挤压到带螺纹的套筒44的肩部58。来自PZT 14的轴向振动传递通过外壳46，并在外壳的表面56与带螺纹的套筒的肩部58之间的接触点处进入带螺纹的套筒44。
外壳46的下表面56优选地位于头端块的圆柱段60，而不是在变尖段62。头端块的幅度增益在变尖段62完全形成，这样，圆柱段60的振动是轴向的。两件式的头端块之间的过渡部分位于圆柱段(在这里表面56与肩部58对接)，这样轴振动从外壳46有效地传送到带螺纹的套筒44。优选地，带螺纹的套筒的减小直径段54的外径基本上与PZT 14的内径相同。
与带有两件式的头端块20的现有技术的超声换能器12(图2)相比较，本发明的具有铝制的外壳46和钛制的带螺纹的套筒44的装套筒的超声换能器40具有用于较好散热的更多的铝，和具有在铝块和钛块之间的更有效的振动的传递。如图7所示，现有技术换能器12具有11.24欧姆的最小阻抗，而图8显示，本发明的这样的装套筒的换能器40具有4.18欧姆的改进的最小阻抗。
与现有技术的单件式的超声换能器10(图1)相比较，本发明的具有铝制的外壳46和钛制的带螺纹的套筒44的装套筒的超声换能器40比全部铝的头端块具有更好的螺纹强度，以及比全部钛制的头端块具有更好的散热性能。装套筒的换能器40的钛制的带螺纹的套筒44和铝制的外壳46的组合得到等效于单一金属前端驱动器的声学性能。
外壳也可以由不同于铝的金属、非金属材料(包括诸如碳化硅、氧化铝、或其他高级陶瓷等陶瓷)组成。正如这里使用的，术语“高级陶瓷”指具有几微米或几分之一微米的微小颗粒尺寸以及还具有以微米度量时几乎是零空隙度的非常高密度的陶瓷材料。颗粒结构是高度均匀的，允许超声信号同时向每个方向运动。碳化硅是高级陶瓷的优选的形式，它是通过与石墨的化学反应而制成的。对于外壳使用陶瓷材料可改进声学性能，因为陶瓷比起铝或其他材料是超声能量的更好的传导体，因此，它是优选的。
图9显示本发明的图3-6实施例的替换的结构。换能器具有头端块92，它具有外壳94和带螺纹的套筒96。带螺纹的套筒96的减小直径的段98向上延伸到外壳94的顶部。外壳94具有轴向孔，其尺寸可容纳带螺纹的套筒96的段98。优选地，带螺纹的套筒96的减小直径的段98的外径与PZT 14的内径基本上相同。来自PZT 14的振动能量被传送到外壳94，然后向下到外壳的底部表面100到带螺纹的套筒96的上表面102。在其他方面，换能器90是与上述的换能器40相同的。
图10显示用于高频应用的、本发明的替换实施例。超声换能器70具有在堆叠的中部的两个环形PZT 72，在PZT的上面的氧化铝制的环形盘74，在PZT的下面的碳化硅制的环形盘78，钛制的头端块78和钛的尾部块80。尾部块80具有带螺纹的套筒82，它是有内螺纹的，并且从上面延伸到换能器堆叠的环形区域内。头端块78具有一个有外螺纹的部件84，它从下面延伸到换能器堆叠的环形区域内。尾部块80的有内螺纹的套筒82与头端块78的有外螺纹的部件84配合，以保护换能器堆叠，并且挤压头端块与尾部块之间的PZT 72和盘74与76。
本发明的另一个方面涉及到如图12-13所示的在清洗系统中使用的超声换能器的改进。更具体地，现在已认识到，通过用石英或高级陶瓷材料形成容器或罐和通过把换能器直接粘结在容器的表面，可以得到增强的性能。
通常用于清洗操作的超声换能器具有堆叠的结构。典型的换能器具有一个或多个其形状为具有环形开孔的盘形式的压电晶体。压电晶体被排列成使得响应于施加的电信号的扩张和收缩是在轴向的。在压电晶体的一侧是尾部块，以及在另一侧是头端块。螺钉或螺栓挤压在头端块与尾部块之间的压电晶体。头端块被安装在容器上，以及把来自压电晶体的振动传送到容器。尾部块可平衡由压电晶体的扩张和收缩引起的位移。在我的以前的美国专利5,748,566和5,998,908中，我公开了对于堆叠的换能器结构的改进方案，它在压电晶体与头端块之间加上一个由陶瓷材料制成的谐振器。
在把换能器结合到清洗容器方面要克服的一个问题是容器与换能器所使用的材料之间的不一致的材料性质。头端块和尾部块通常是由诸如铝等金属材料制成的，它比起石英或诸如碳化硅等陶瓷具有高得多的膨胀系数。
本发明具有用于换能器的不同的结构，它便于把换能器结合到容器上。典型地，一个以上的换能器从外部或内部安装在容器上。通常，几个换能器被安装在清洗容器的底部。容器包含液体和要被清洗、漂洗、或其他通过使用超声处理的物件。换能器被交流电激励。由换能器的压电晶体引起的振动被传送到容器，并通过液体传送到容器中的物件。
本发明的换能器的另一个实施例的结构被显示为图11和12上的换能器110。换能器110的部件，从上往下，包括尾部块118、电极120、压电晶体122、电极120、陶瓷谐振器124、和头端块125，其中头端块包括带螺纹的套筒126和外壳128。螺栓130以螺纹旋入带螺纹的套筒122内的螺纹孔，并挤压在尾部块118与头端块125之间的电极120、压电晶体122和陶瓷谐振器124。外壳128优选地由碳化硅或其他陶瓷材料组成，以及被结合在带螺纹的套筒126的平表面132。优选地，外壳由具有与容器材料的热膨胀系数相似的热膨胀系数的金属或非金属材料组成。外壳128的另一个平表面134被结合在清洗容器的表面。在带螺纹的套筒126的底部的凸起物136与外壳128的轴向孔138配合，帮助带螺纹的套筒相对于外壳的定位。换能器的除电极120以外的所有的零件是轴对称的。尾部块118和带螺纹的套筒126优选地由铝材料组成，但如果螺纹强度是问题的话，也可以用其他非金属材料或诸如钛的金属组成。
换能器110的另一个结构显示于图13。换能器150具有带螺纹的套筒152，它向下延伸到外壳128的底部，这为螺栓130提供更多的螺纹区域用于配合。另外，换能器150具有在PZT 156的内径里面的绝缘套筒154。优选地，带螺纹的套筒152的下部凸起部分160的外径158基本上与PZT 156的内径162相同。这样的结构在把PZT的振动能量通过外壳传128送到容器方面上面是更有效的。替换地，陶瓷谐振器124可以具有与PZT 156相同的内径，绝缘套筒154向下延伸到带螺纹的套筒152的顶部。
换能器110或150的结构的一个优点在于，头端块的外壳128可以由金属或诸如碳化硅等非金属材料制成，这些材料具有的性质类似于容器材料的性质，而容器材料可以是石英或碳化硅或其他高级陶瓷。碳化硅是多晶材料。在碳化硅陶瓷中有许多颗粒，颗粒尺寸是几微米(直接烧结)。石英有不同的形式，包括熔化石英和单晶石英。熔化石英是非结晶(非晶体，或玻璃)材料。一般地说，单晶石英是一个大的颗粒。它可以是几英寸大(仅仅具有一个颗粒)。熔化石英是非结晶的，所以它不包含任何颗粒。
玻璃和陶瓷的热膨胀系数是各向同性的，意思是它与方向无关的。单晶石英的热膨胀系数是各向异性的(取决于方向)，意思是它随晶体取向而变化。一般地说，石英单晶的热膨胀系数比起熔化石英玻璃大15-20倍。用于清洗容器的石英的优选的类型是熔化石英。热膨胀系数(以μm/m-℃为单位)，对于熔化石英是0.4，对于碳化硅是4.5，对于不锈钢是17，对于钛是9，以及对于铝是23-24。
通过使用碳化硅代替铝用于被粘结到清洗容器的头端块的部分，热失配被大大地减小。在两种粘结材料之间热膨胀的失配在温度改变时引起材料/边界内的应力。在铝与熔化石英之间热膨胀系数的差值是大约60倍，这与在碳化硅与熔化石英之间差10倍形成对比。
换能器110或150用环氧树脂聚合物粘结剂Supreme 10AOHT被粘结在容器的表面(里面或外面)。这种环氧树脂包含氧化铝(铝土)的陶瓷填充剂。它是具有高的剪切强度和高的撕裂强度的热硬化环氧树脂。它也是热传导的并对抗严重的热周期性变化。同一种粘结剂被使用来把碳化硅外壳128粘结到铝制的带螺纹的套筒126或152。
在头端块中碳化硅的使用提供了可以容易地粘结到石英或陶瓷容器的超声换能器，这便于把来自换能器的超声振动有效地传送到容器中的物件或物体。
通过以上说明，将会看到，这里描述的本发明提供新颖的和有利的装套筒的超声换能器。以上的讨论仅仅揭示和描述本发明的示例性方法和实施例。本领域技术人员将会看到，本发明可以以其他具体形式体现而不背离本发明的精神或本质特性。因此，本发明的揭示内容意在示出在以下的权利要求中阐述的本发明的范围而不是限制的。
权利要求
1.超声换能器，包括一个或多个盘形压电晶体，其中每个压电晶体具有一个轴向孔；尾部块，位于压电晶体的一侧，其中尾部块包括一个轴向孔；头端块，位于压电晶体的与尾部块相反的一侧，其中头端块具有带内部螺纹的轴向孔；以及带螺纹的螺栓，被放置在每个压电晶体的轴向孔和尾部块与头端块的轴向孔内并且以螺纹旋入头端块的带内螺纹的轴向孔，其中螺栓挤压头端块与尾部块之间的压电晶体；其中头端块包括由不同的材料组成的两个块，包括带螺纹的套筒，套筒具有带内部螺纹的轴向孔并具有直径减小的部分，还包括外壳，该外壳在轴向上在带螺纹的套筒的直径减小的部分外侧。
2.如权利要求1所述述的超声换能器，其中带螺纹的套筒和和外壳在垂直于换能器的轴的一个面上具有配合接触面。
3.如权利要求1所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒的直径减小的部分的外径基本上等于该一个或多个压电晶体的内径。
4.如权利要求1所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒由钛构成。
5.如权利要求1所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒由铝构成。
6.如权利要求1所述的超声换能器，其中外壳由铝构成。
7.如权利要求1所述的超声换能器，其中外壳由碳化硅构成。
8.超声换能器，包括一个或多个盘形压电晶体，其中每个压电晶体具有一个轴向孔；尾部块，位于压电晶体的一侧，其中尾部块包括一个轴向孔；头端块，位于压电晶体的与尾部块相反的一侧，其中头端块具有带内部螺纹的轴向孔；以及带螺纹的螺栓，被放置在每个压电晶体的轴向孔和尾部块与头端块的轴向孔内并且以螺纹旋入头端块的内螺纹的轴向孔，其中螺栓挤压头端块与尾部块之间的压电晶体；其中头端块包括与压电换能器邻近的外壳和在压电换能器的远端的带螺纹的套筒，其中外壳具有轴向孔，该孔具有用于螺栓的间隙，以及其中带螺纹的套筒包括带有内部螺纹的轴向孔，以便与螺栓上的螺纹配合，其中外壳和带螺纹的套筒用不同的材料组成，以及其中外壳具有埋头孔，和带螺纹的套筒具有装配于外壳的埋头孔内的套筒部分。
9.如权利要求8所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒和和外壳在垂直于换能器的轴的一个面上具有配合接触面。
10.如权利要求8所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒的直径减小的部分的外径基本上等于该一个或多个压电晶体的内径。
11.如权利要求8所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒由钛构成。
12.如权利要求8所述的超声换能器，其中外壳由铝构成。
13.如权利要求8所述的超声换能器，其中外壳由碳化硅构成。
14.超声换能器，包括一个或多个盘形压电晶体，其中每个压电晶体具有一个有内径的轴向孔；尾部块，位于压电晶体的一侧，其中尾部块包括被布置在压电晶体的内径内的带螺纹的部分；头端块，位于压电晶体的与尾部块相反的一侧，其中头端块包括被布置在压电晶体的内径内的带螺纹的部分，其中尾部块和头端块的带螺纹的部分接合并挤压尾部块与头端块之间的压电晶体。
15.如权利要求14所述的超声换能器，其中头端块和尾部块由钛构成。
16.如权利要求14所述的超声换能器，还包括被放置在压电晶体与头端块之间的碳化硅制的环形盘。
17.如权利要求14所述的超声换能器，还包括被放置在压电晶体与尾部块之间的氧化铝制的环形盘。
18.超声换能器，包括一个或多个盘形压电晶体，其中每个压电晶体具有一个轴向孔；尾部块，位于压电晶体的一侧，其中尾部块包括一个轴向孔；头端块，位于压电晶体的、与尾部块相反的一侧，其中头端块具有带内部螺纹的轴向孔；以及带螺纹的螺栓，被放置在每个压电晶体的轴向孔和尾部块与头端块的轴向孔内并且以螺纹旋入头端块的带内螺纹的轴向孔，其中螺栓挤压头端块与尾部块之间的压电晶体；其中头端块包括与压电换能器邻近的带螺纹的套筒和在压电换能器的远端的外壳，其中带螺纹的套筒包括带有内部螺纹的轴向孔，以便与螺栓的螺纹配合，其中外壳和带螺纹的套筒由不同的材料构成及其中外壳具有轴向孔，和带螺纹的套筒具有装配于外壳的轴向孔的里面的套筒部分。
19.如权利要求18所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒和和外壳在垂直于换能器的轴的一个面上具有配合接触面。
20.如权利要求18所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒和外壳通过使用具有陶瓷填充剂的环氧树脂被粘结在一起。
21.如权利要求20所述的超声换能器，其中陶瓷填充剂是氧化铝。
22.如权利要求20所述的超声换能器，其中环氧树脂是聚合物粘结剂Supreme 10AOHT。
23.如权利要求18所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒的套筒部分的直径减小的部分的外径基本上等于该一个或多个压电晶体的内径。
24.如权利要求18所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒由钛构成。
25.如权利要求18所述的超声换能器，其中带螺纹的套筒由铝构成。
26.如权利要求18所述的超声换能器，其中外壳由碳化硅构成。
全文摘要
装套筒的超声换能器(40)，具有两部分的头端块(42)，它包括用不同材料组成的带螺纹的套筒(44)和外壳(46)。带螺纹的套筒(44)优选地是诸如钛那样的金属，它提供用于与挤压螺栓(24)配合的优越的螺纹强度，而外壳(46)优选地是铝或陶瓷或其他金属或非金属材料，它提供良好的散热片容量和/或振动能量的传输。这两个部件(44，46)的组合提供改进的超声换能器。
文档编号B06B1/06GK1613273SQ03801913
公开日2005年5月4日 申请日期2003年9月22日 优先权日2002年9月23日
发明者M·J·古德森 申请人:顶峰集团有限公司