CN103394456A - 超声波换能器用压电陶瓷换能片 - Google Patents
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Abstract
一种超声波换能器用压电陶瓷换能片，包括一块圆形的压电陶瓷片（1），在压电陶瓷片的两面制作有电极（2、3），压电陶瓷片的两个表面的边缘皆有一个倒角（4），倒角的截面可以为1/4圆弧形、1/4椭圆弧形或一条斜线。压电陶瓷片的其中一个表面上的电极可以分成两个电极（11、12），压电陶瓷片的侧面上有一个连接电极（13），此连接电极（13）将上述同一表面上的两个电极中的一个（11）与压电陶瓷片另一表面上的电极相连通。上述压电陶瓷片的两个表面的边缘上的倒角使其谐振阻抗特性曲线的厚度谐振峰及反谐振峰周边无明显杂峰，其发送与接收超声信号性能明显优于原有结构的压电陶瓷换能片。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷换能片的改进结构，具体说是一种超声波换能器用压电陶瓷换能片的结构。
背景技术
超声波换能片是利用压电陶瓷的压电效应原理制成的发送或接收超声信号的器件。当作为超声信号发送换能器使用时，主要是利用换能片的逆压电效应及谐振特性，通过外加与压电陶瓷换能片相同谐振频率的高频电场的激励，从而产生一个高频的机械振动波；作为超声信号接收传感器使用时，是利用压电陶瓷的正压电效应及谐振特性，当压电陶瓷换能片接收到与其谐振频率相同频率的振动波时，会产生相同频率的周期电压并通过其表面电极将该电压输出，通过相应的接收电路将此高频电压转换成所需的电压信号。换能片的谐振阻抗特性曲线与换能器的超声信号发送和超声信号的接收密性能切相关。一般的压电陶瓷超声换能片的结构如图1和图2所示，包括一块圆形的压电陶瓷片1，在压电陶瓷片的两面制作有电极2、3，这种压电陶瓷超声换能片的厚度振动谐振阻抗特性曲线由于同时存在各种不同振动模式谐振峰的相互干扰而形成较多的杂峰，从而影响厚度振动主峰的谐振阻抗与反谐振阻抗值，使得换能片的谐振阻抗值变大、反谐振阻抗值变小，就会减弱换能片的超声信号发送和接收效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超声波换能器用压电陶瓷换能片的结构，其谐振阻抗特性曲线的厚度振动谐振峰及反谐振峰周边无明显杂峰，使这种换能片的发送与接收超声信号性能明显优于一般的压电换能片。
这种超声波换能器用压电陶瓷换能片包括一块圆形的压电陶瓷片，在压电陶瓷片的两面制作有电极，压电陶瓷片的两个表面的边缘皆有一个倒角。
上述压电陶瓷片的两个表面的边缘上的倒角使其谐振阻抗特性曲线的厚度振动谐振峰及反谐振峰周边无明显杂峰，其发送与接收超声信号性能明显优于原有结构的压电陶瓷换能片。
附图说明
图1为已有的压电陶瓷超声换能片的正视图；
图2为已有的压电陶瓷超声换能片的侧向剖视图；
图3为本发明的超声波换能器用压电陶瓷换能片的第一种结构图；
图4为本发明的超声波换能器用压电陶瓷换能片的第二种结构图；
图5为本发明的超声波换能器用压电陶瓷换能片的第三种结构图；
图6为压电陶瓷片的一个表面上的电极结构图；
图7为压电陶瓷片侧面上有连接电极的结构图；
图8为压电陶瓷片的表面上的电极的另一种结构图；
图9为超声波换能器用压电陶瓷换能片的一种应用原理图；
图10为实施例1制得的样品的谐振阻抗特性曲线图；
图11为实施例1的对照样品的谐振阻抗特性曲线图；
图12为实施例2制得的样品的谐振阻抗特性曲线图；
图13为实施例2的对照样品的谐振阻抗特性曲线图；
图14为实施例3制得的样品的谐振阻抗特性曲线图；
图15为实施例3的对照样品的谐振阻抗特性曲线图；
图16为实施例4制得的样品的谐振阻抗特性曲线图；
图17为实施例4的对照样品的谐振阻抗特性曲线图。
具体实施方式
如图3所示，这种超声波换能器用压电陶瓷换能片包括一块圆形的压电陶瓷片1，在压电陶瓷片的两个面上制作有电极2、3，压电陶瓷片的两个表面的边缘皆有一个倒角4。
压电陶瓷片的两个表面中的一个表面上的电极可以分成两个电极，例如，做成图6或图8所示的两个电极11、12；并且，如图7所示，压电陶瓷片的侧面（环形侧面）上有一个连接电极13，此连接电极13将上述同一表面上的两个电极中的一个11与压电陶瓷片另一表面上的电极相连通。这样，即可将压电陶瓷换能片的正极和负极引出至陶瓷片的同一表面，便于引出线的焊接和超声波换能器的封装。
如图3所示，这种超声波换能器用压电陶瓷换能片中，压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面可以为1/4圆弧形，此圆弧的半径为r，其数值范围可以是0.1mm≤r≤1/2压电陶瓷片厚度h。
如图4所示，这种超声波换能器用压电陶瓷换能片中，压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面也可以为1/4椭圆弧形，椭圆弧的短轴与压电陶瓷片的厚度方向平行，椭圆弧的长轴与压电陶瓷片的表面平行，椭圆弧形的半短轴的长度为a，椭圆弧形的半长轴的长度为b，其数值范围可以是0.1mm≤a≤1/2压电陶瓷片厚度h，0.1mm≤b≤1/2压电陶瓷片半径R。
如图5所示，这种超声波换能器用压电陶瓷换能片中，压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面还可以为斜线，切去部分为一个直角三角形，此直角三角形的与压电陶瓷片的厚度方向平行的直角边为e，此直角三角形的与压电陶瓷片的表面平行的直角边为f，其数值范围可以是0.1mm≤e≤1/2压电陶瓷片厚度h，0.1mm≤f≤1/2压电陶瓷片半径R。压电陶瓷片的厚度h和半径R的数值范围一般为0.5mm≤h≤4mm，6mm≤R≤30mm。
这种超声波换能器用压电陶瓷换能片的倒角可通过下述方法之一制成：1、在压电陶瓷片制品成型加工时通过模具直接制得；2、通过打磨机打磨制成；3、用球磨机滚磨而形成一定的倒角；4、其他制作方式。
这种压电陶瓷换能片使用时要封装成超声换能器后使用，封装方式包括将压电陶瓷 换能片通过专用胶水或双面胶直接粘贴于换能器外壳内底面（外壳材料可以为树脂或金属的任意一种）、将压电陶瓷换能片通过匹配层粘贴于换能器外壳内底面、其他封装方式。一种典型的换能器封装方式如图9所示，图中5外壳、6匹配层、7压电陶瓷换能片、8吸声层、9灌封胶、10引线。
实施例1
结构如图3所示的压电陶瓷换能片：
压电陶瓷材料：PZT-5，
陶瓷片直径D为10mm，厚度h为2.1mm，r为0.3mm，
厚度振动谐振频率fr为1.00MHz，
谐振阻抗Zr为20Ω,反谐振阻抗Za为16KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图10所示；
相对照的材料、直径和厚度相同但无倒角的换能片：
厚度振动谐振频率fr为1.00MHz，
谐振阻抗Zr为70Ω,反谐振阻抗Za为10KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图11所示。
实施例2
结构如图3所示的压电陶瓷换能片：
压电陶瓷材料：PZT-5，
陶瓷片直径D为14mm，厚度h为2.1mm，r为0.3mm，
厚度振动谐振频率fr为1MHz，
谐振阻抗Zr为10Ω,反谐振阻抗Za为5.2KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图12所示；
相对照的材料、直径和厚度相同但无倒角的换能片：
厚度振动谐振频率fr为1MHz，
谐振阻抗Zr为40Ω,反谐振阻抗Za为3.0KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图13所示。
实施例3
结构如图4所示的压电陶瓷换能片：
压电陶瓷材料：PZT-5，
陶瓷片直径D为16mm，厚度h为1.4mm，a为0.5mm，b为1.0mm，
厚度振动谐振频率fr为1.5MHz，
谐振阻抗Zr为3Ω,反谐振阻抗Za为4.8KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图14所示；
相对照的材料、直径和厚度相同但无倒角的换能片：
厚度振动谐振频率fr为1.5MHz，
谐振阻抗Zr为10Ω,反谐振阻抗Za为2.5KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图15所示。
实施例4
结构如图5所示的压电陶瓷换能片：
压电陶瓷材料：PZT-5，
陶瓷片直径D为25mm，厚度h为3.2mm，e为0.5mm，f为1.0mm，
厚度振动谐振频率fr为0.7MHz，
谐振阻抗Zr为15Ω,反谐振阻抗Za为6.5KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图16所示；
相对照的材料、直径和厚度相同但无倒角的换能片：
厚度振动谐振频率fr为0.7MHz，
谐振阻抗Zr为40Ω,反谐振阻抗Za为2.8KΩ，
其谐振阻抗特性曲线如图17所示。
由上述实施例可知，本发明所提供的这种超声波换能器用压电陶瓷换能片的厚度振动谐振特性得到显著改善，换能片的电性能参数明显优于原有结构的换能片产品的相应参数。经实践证明，采用本发明所提供的压电陶瓷换能片组装所得超声波换能器，其发送与接收超声信号的性能较采用原有结构的压电陶瓷换能片组装所得超声波换能器提高了30%以上。
Claims (5)
1.一种超声波换能器用压电陶瓷换能片，包括一块圆形的压电陶瓷片（1），在压电陶瓷片的两个表面制作有电极（2、3），其特征是压电陶瓷片的两个表面的边缘皆有一个倒角（4）。
2.如权利要求1所述的超声波换能器用压电陶瓷换能片，其特征是压电陶瓷片的两个表面中的一个表面上的电极分成两个电极（11、12），压电陶瓷片的侧面上有一个连接电极（13），此连接电极（13）将上述同一表面上的两个电极中的一个（11）与压电陶瓷片另一表面上的电极相连通。
3.如权利要求1或2所述的超声波换能器用压电陶瓷换能片，其特征是压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面为1/4圆弧形，此圆弧的半径为r，0.1mm≤r≤1/2压电陶瓷片厚度h。
4.如权利要求1或2所述的超声波换能器用压电陶瓷换能片，其特征是压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面为1/4椭圆弧形，椭圆弧的短轴与压电陶瓷片的厚度方向平行，椭圆弧的长轴与压电陶瓷片的表面平行，椭圆弧形的半短轴的长度为a，椭圆弧形的半长轴的长度为b，0.1mm≤a≤1/2压电陶瓷片厚度h，0.1mm≤b≤1/2压电陶瓷片半径R。
5.如权利要求1或2所述的超声波换能器用压电陶瓷换能片，其特征是压电陶瓷片的表面的边缘的倒角的截面为斜线，切去部分为一个直角三角形，此直角三角形的与压电陶瓷片的厚度方向平行的直角边为e，此直角三角形的与压电陶瓷片的表面平行的直角边为f，0.1mm≤e≤1/2压电陶瓷片厚度h，0.1mm≤f≤1/2压电陶瓷片半径R。
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