CN106824732B - 超声换能器和用于制造超声换能器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器(1)，包括压电元件(4)、声窗(9)、壳体(2)和声耦合层(5)。声耦合层(5)布置在声窗(9)和压电元件(4)的第一表面(8)之间。为了确保声耦合层(5)的恒定厚度，压电元件(4)在压电元件(4)的与声学层(5)相对的第二表面(11)处固定到壳体(2)。此外，壳体(2)邻接声窗(9)，以在压电元件(4)的静止位置处确保第一表面(8)和声窗(9)之间的声耦合层(5)的恒定厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声换能器，包括压电元件、声窗、壳体和声耦合层，其中声耦合层被布置在声窗和压电元件的第一表面之间。
背景技术
超声换能器用于产生或接收超声信号。为此，超声换能器包括用于从介质传输超声信号以及将超声信号声传输到介质的声窗。声窗通常由金属或塑料构成，这取决于应该被测量的介质。金属声窗可以优选用于研磨介质。
在许多情况下，超声换能器包括为压电元件形式的有源振动元件，以将电信号转变为超声信号，反之亦然。为了确保超声信号从声窗有效地传输到压电元件，通常在压电元件和声窗之间布置声耦合层。然而，重要的是控制声耦合层的厚度，以确保超声换能器的高声学效率、低噪音和高寿命。然而，控制声耦合层的厚度难以根据用于声耦合层的材料，特别是在使用流体或容易塑性变形的材料的情况下。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种上述类型的超声换能器和一种用于制造所述超声换能器的方法，其中声耦合层的厚度可以被更准确地控制。
根据本发明，上述任务被解决，这是由于压电元件在压电元件的与声耦合层相反的第二表面处固定到壳体，并且其中壳体邻接声窗，以在压电元件的静止位置处确保在第一表面与声窗之间的声耦合层的恒定厚度。
通过该技术方案，压电元件可以仅在压电元件的与声耦合层相反的第二表面处被固定到壳体。因此，确保了压电元件仍然可以在超声换能器的操作期间变形。此外，固定压电元件的壳体邻接声窗，以在压电元件的静止位置处确保在压电元件的第一表面与声窗之间的声耦合层的恒定厚度。这样，确保了压电元件例如在装配器件由于其自身重量不会使声耦合层移位。具体地，后者在声耦合层是流体或者声耦合层由需要在超声换能器的制造期间固化的粘合剂制成的情况下成为问题。在声耦合层的固化期间，压电元件的重量可能另外导致声耦合层变薄到低于预期厚度。由于壳体现在邻接声窗，因此可以确保为在压电元件的第一表面和声窗之间的声耦合层留有足够的空间且压电元件不会使声耦合层移位。
在一个优选实施例中，壳体和/或声窗包括距离控制部。优选地，距离控制部的厚度为压电元件的厚度和声耦合层的预期厚度的总和。距离控制部的厚度由第二表面至壳体与声窗的邻接区域的垂直距离给出。
在一个另外优选实施例中，距离控制部包括至少一个腿部。优选地，距离控制部包括两个、三个或四个腿部。可选地，距离控制部可以包括环形缘部。腿部或缘部之间可以布置孔口，压电元件以及声耦合层可以布置在所述孔口中。声窗可以邻接在腿部或缘部以及声耦合层上。如果距离控制部包括缘部，则声窗可以是连接到缘部的平坦盘。
在另一个优选实施例中，距离控制部包括连接到第二表面的至少一个肩部。至少一个肩部可以布置在腿部或有角缘部中。肩部允许例如在第二表面的径向外端部处将压电元件的第二表面连接到壳体。同时，距离控制部可以延伸超出压电元件的径向外端部，使得距离控制部延伸超出压电元件的厚度和声耦合层的厚度。这样就确保了壳体将邻接声窗，以使得在装配期间保持压电元件的第一表面和声窗之间的正确距离并因此声耦合层可以在装配期间保持其预期厚度。
在一个另外的优选实施例中，声耦合层包括粘合剂和/或糊剂和/或油。根据本发明的超声换能器具有的优点是：即使流体或液体材料被用于声耦合层也可以控制声耦合层的厚度，否则所述厚度在装配期间或者在声换能器的操作期间由于压电元件的影响而变得更薄。
在另一个优选实施例中，声窗被布置在杯形构件的平坦底部中。由于声窗可以例如通过杯形构件的外壁卡合连接到壳体而容易地连接到壳体，因此该技术方案简化了超声换能器的装配。
在又一个优选实施例中，压电元件具有圆柱形形状，并且压电元件仅在第二表面的径向外端部处连接到壳体。这样，确保了压电元件在操作器件在超声换能器内仍具有足够的空间来变形。在第二表面的径向外端部处连接到壳体仅部分地限制压电元件的变形。
上述任务还通过根据上述实施例中的任一个的包括超声换能器的超声能量计来解决。超声能量计中的超声换能器在这种情况下可以例如用于测量冷却或加热回路中的制冷剂或加热流体的热能量。在这种情况下，超声能量计为冷却计或热量计。
上述任务还通过根据超声换能器的上述实施例中任一个的包括超声换能器的超声流量计来解决。超声流量计例如可以用于测量加热或冷却流体的流量。
上述任务还通过用于制造超声换能器的方法来解决，所述超声换能器包括压电元件、声窗、壳体和声耦合层，所述方法包括以下步骤：
在压电元件的第二表面处将压电元件固定到壳体；
将声耦合层施加到压电元件的与第二表面相反的第一表面，或者将声耦合层施加到声窗；和
将声窗连接到壳体，使得壳体邻接声窗以在压电元件的静止位置处确保在第一表面与声窗之间的声耦合层的恒定厚度。
通过这种制造方法，压电元件首先在压电元件的第二表面处固定到壳体。这样，压电元件相对于壳体的位置被固定。接着，声耦合层被施加到压电元件的与第二表面相反的第一表面。然后，声窗被连接到壳体，使得壳体邻接声窗，以在压电元件的静止位置处确保在第一表面与声窗之间的声耦合层的恒定厚度。压电元件的静止位置表示超声信号既没有到达压电元件和变形且也没有将电压施加到压电元件以使压电元件变形并产生超声信号的位置。通过首先在与布置声耦合层的第一表面相反的第二表面处将压电元件连接到壳体，可以确保压电元件将不会不利地影响声耦合层的预期厚度。具体地，压电元件的重量例如在声耦合层的固化期间(在粘合剂用于声耦合层的情况下)不会导致声耦合层变薄。
在一个另外的优选实施例中，压电元件通过粘合剂和/或卡合连接固定到壳体。在使用粘合剂的情况下，需要确保压电元件在粘合剂的固化期间不能移位或者需要等待直到施加声耦合层之前固化粘合剂为止。
在另一个优选实施例中，压电元件被保持在第二表面向下的位置，直到壳体的粘合剂连接已经固化为止。这样可以在压电元件至壳体的粘合剂连接被固化之前将声耦合层施加到压电元件的第一表面。这会加固制造方法并因此减少成本。
附图说明
本发明的优选实施例现在参照附图来说明，其中：
图1显示根据本发明的超声换能器的一个优选实施例。
具体实施方式
图1显示了超声换能器1，所述超声换能器包括为盖形式的壳体2。压电元件4被布置在壳体2的孔口14中。声耦合层5布置在压电元件4的第一表面8处。声耦合层5被布置在第一表面8和声窗9之间。声窗9在本实施例中是罐状构件3的一部分。在这种情况下，罐状构件3由金属制成以改进超声信号从介质到压电元件的传输，反之亦然。类似地，声耦合层5确保超声信号从压电元件4可靠地传输和传输到所述压电元件。在现有技术的状态下，声耦合层5的厚度是难以控制，这是因为一方面所述声耦合层通常由流体(例如，油)或者至少可塑性变形的材料(糊剂或粘合剂)制成。另一方面，由于压电元件4需要能够进行弹性变形以转换超声信号，因此所述压电元件不能被包封在外壳2中。因此，压电元件4的重量在一些情况下在声耦合层5上造成压力，由此声耦合层5变薄且声换能器的效率因此被减小。
然而，根据本发明，声耦合层5的厚度现在可以被适当地控制。为此，压电元件4在压电元件4的第二表面11处固定到壳体2。为了允许压电元件4在操作期间发生弹性变形，第二表面11和壳体2之间的连接优选地仅形成在第二表面11的径向外端12处。在此实施例中，所述连接形成在壳体2的四个肩部7处。肩部7布置在距离控制部6中，在这种情况下，所述距离控制部形成为壳体2的腿部。在本实施例中，四个腿部10围绕压电元件4周向地布置。这样，压电元件4仍具有足够的空间以在壳体2的孔口14内进行弹性变形。
距离控制部6可以可选地形成为周向缘部，其中压电元件4在第二表面11的径向外端12处可以固定到所述周向缘部。
距离控制部6应该确保压电元件4的第二表面11和声窗9之间的垂直距离对应于压电元件4的厚度和声耦合层5的预期厚度的总和。壳体2邻接声窗9，以在压电元件4的静止位置处确保在第一表面8和声窗9之间的声耦合层5的恒定厚度。压电元件4的静止位置在此表示压电元件4不会由于接收超声信号或者由于施加到压电元件的电压而变形的位置。压电元件4通过连接引线13连接，所述连接引线允许将电信号传输到壳体2外或者传输到壳体2中。优选地，连接引线13可弹性变形，以允许压电元件4在操作期间变形而不会损失连接。
压电元件4和壳体2之间的连接可以通过粘合剂或夹持或锁定连接进行。在使用粘合剂的情况下，盖优选地放置在颠倒位置，使得第二表面11指向下且声耦合层5可以在粘合剂被完全固化之前施加到第一表面8。然后，声窗9被连接到声耦合层5和壳体2。声窗9和壳体2之间的连接可以通过粘合剂、夹持或锁定连接或者类似形式来进行。
Claims (13)
1.一种超声换能器(1)，包括压电元件(4)、声窗(9)、壳体和声耦合层(5)，其中所述声耦合层(5)布置在所述压电元件(4)的第一表面(8)和所述声窗(9)之间，其特征在于，所述压电元件(4)在所述压电元件(4)的与所述声耦合层(5)相反的第二表面(11)处固定到所述壳体(2)，并且其中所述壳体(2)邻接所述声窗(9)，以在所述压电元件(4)的静止位置处确保在所述第一表面(8)和所述声窗(9)之间的所述声耦合层(5)的恒定厚度。
2.根据权利要求1所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述壳体(2)和/或所述声窗(9)包括距离控制部(6)。
3.根据权利要求2所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述距离控制部(6)包括至少一个腿部(10)。
4.根据权利要求2或3所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述距离控制部(6)包括肩部(7)，所述肩部连接到所述第二表面(11)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述声耦合层(5)包括粘合剂和/或糊剂和/或油。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述声窗(9)布置在罐状构件(3)的平坦底部中。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述压电元件(4)具有圆柱形形状，并且所述压电元件(4)仅在所述第二表面(11)的径向外端部(12)处连接到所述壳体(2)。
8.一种超声能量计，包括根据权利要求1至7中任一项所述的超声换能器(1)。
9.一种超声流量计，包括根据权利要求1至7中任一项所述的超声换能器(1)。
10.一种用于制造超声换能器(1)的方法，所述超声换能器包括压电元件(4)、声窗(9)、壳体(2)和声耦合层(5)，所述方法包括以下步骤：
在所述压电元件(4)的第二表面(11)处将所述压电元件(4)固定到所述壳体(2)；
将所述声耦合层(5)施加到所述压电元件(4)的与所述第二表面(11)相反的第一表面(8)或者将所述声耦合层(5)施加到所述声窗(9)；和
将所述声窗(9)连接到所述壳体(2)，使得所述壳体(2)邻接所述声窗(9)，以在所述压电元件(4)的静止位置处确保在所述第一表面(8)和所述声窗(9)之间的所述声耦合层(5)的恒定厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压电元件(4)通过卡合连接固定到所述壳体(2)。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压电元件(4)通过粘合剂连接固定到所述壳体(2)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压电元件(4)被保持在所述第二表面(11)向下的位置，直到与所述壳体(2)的粘合剂连接被固化为止。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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