CN111729830A - 一种超声波换能器封装结构和超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波换能器封装结构，包括压电保护罩、耦合层和压电元件，压电保护罩从压电元件的接收发射面一侧罩在压电元件上，耦合层位于压电保护罩内侧和压电元件的接收发射面之间，其特征在于：压电保护罩内侧设置有凹凸结构；凹凸结构包括分布在压电保护罩内侧的若干凸起单元。本发明还提供了一种包括上述超声波换能器封装结构的超声波换能器。本发明提供的一种超声波换能器封装结构结构简单，加工难度低，通过对压电保护罩的表面处理，避免了耦合层与压电保护罩之间以及耦合层内部形成较大面积的气泡，减小气泡对压电元件接收信号的影响，同时还能减小耦合层的平均厚度。

Description

一种超声波换能器封装结构和超声波换能器

技术领域

本发明涉及流量测量领域，特别是涉及一种超声波换能器封装结构和超声波换能器。

背景技术

超声波换能器是超声流量计的重要组成部分，基本元件是压电元件，超声波换能器性能优劣的关键是由压电元件接收的声波信号的质量决定的。

压电保护罩的厚度，耦合层的厚度以及耦合层内气体杂质等是影响声波传输的主要因素，直接影响着压电元器件接收信号的好坏。耦合剂密封胶在高温下将压电元件和压电保护罩牢固粘结在一起形成耦合层，但是由于涂胶工艺的限制和耦合层内部气体的析出，耦合层与压电保护罩之间以及耦合层内部易形成较大面积的气泡。1MHz的声波在胶内的波长大概在0.5-5mm之间，按照声波的散射原理(当声波波长大于障碍物尺寸但在10倍以内时，障碍物会化成一个声源使声波向四周散射，这种现象叫做声波的散射)，当气泡直径在0.05mm以上将严重影响声波的传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波换能器封装结构和超声波换能器，解决了由于耦合层内较大气泡的原因导致超声波换能器接收信号受影响以及开胶的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种超声波换能器封装结构，包括压电保护罩、耦合层和压电元件，所述压电保护罩从所述压电元件的接收发射面一侧罩在所述压电元件上，所述耦合层位于所述压电保护罩内侧和所述压电元件的接收发射面之间，其特征在于：所述压电保护罩内侧设置有凹凸结构；所述凹凸结构包括分布在所述压电保护罩内侧的若干凸起单元。

在一优选实施例中，所述凸起单元的相对高度和相邻所述凸起单元之间的最大间距小于超声波在所述耦合层中的波长的十分之一。

在一可选实施例中，所述凸起单元为锯齿状、圆弧状或者梯形。

在一可选实施例中，当所述超声波的频率为1MHz，在所述耦合层中的传播速度为1000m/s时，所述凸起单元的相对高度和相邻所述凸起单元之间的最大间距在5-10μm之间。

在一可选实施例中，所述压电保护罩由厚度为0.05-0.2mm的不锈钢薄板制备而成。

在一优选实施例中，所述压电保护罩由厚度为0.2mm的不锈钢薄板制备而成。

本发明还提供了一种超声波换能器，其特征在于：包括上述任一实施例中的超声波换能器封装结构。

如上所述，本发明提供的一种超声波换能器封装结构，这种封装结构简单，加工难度低，通过对压电保护罩的表面处理，避免了耦合层与压电保护罩之间以及耦合层内部形成较大面积的气泡，减小气泡对压电元件接收信号的影响，同时还能减小耦合层的平均厚度。

附图说明

图1为本发明实施例中的超声波换能器封装结构的结构示意图；

图2为本发明实施例一中的超声波换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例二中的超声波换能器的结构示意图；

图4为本发明实施例三中的超声波换能器的结构示意图。

标号说明

1 压电保护罩

2 耦合层

3 压电元件

4 凹凸结构

5 外壳

6 固定环

7 弹簧I

8 正极引线

9 绝缘衬套

10 弹簧Ⅱ

11 弹簧Ⅲ

12 端子

13 触点

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明公开了一种超声波换能器封装结构，包括压电保护罩1、耦合层2和压电元件3，压电保护罩1从压电元件3的接收发射面一侧罩在压电元件3上，耦合层2位于压电元件3和压电保护罩1之间。压电保护罩1内侧设置有的凹凸结构4，凹凸结构4由若干分布在压电保护罩1内侧的若干凸起单元排列形成，凸起单元可以为锯齿状、圆弧状、梯形等。封装时耦合层2受凹凸结构4的挤压形变，形成如图1所示的耦合层2结构，在封装过程中耦合层2与压电保护罩1之间以及耦合层2内部产生的较大气泡被分隔成微小气泡，从而避免了较大气泡对超声波的散射作用，提高了超声波换能器的声学特性。以下三种实施例为包括上述封装结构的三种不同的超声波换能器。

实施例一：

如图2所示，本实施例中的超声波换能器包括外壳5、正极通路、负极通路以及上述封装结构，压电保护罩1罩在压电元件3上并与外壳5相抵，固定环6将压电保护罩1和压电元件2固定在外壳5上。压电保护罩1内表面，即与耦合层2接触的一侧设置有锯齿状的凹凸结构4，使得封装时耦合层2和压电保护罩1之间的气体以及耦合层2中的气泡被分散开来。上述被分散开来的微小气泡就位于相邻的凸起单元之间。这种凹凸结构4避免了在压电保护罩1和压电元件3之间形成大面积的气泡。进一步地，凹凸结构4可以改善压电保护罩1与压电元件3的电气接触，同时还能起到减少耦合剂用量和减小耦合层2平均厚度的作用。

本实施例中压电元件3的发射方向与外壳5的轴向相互垂直，为L型超声波换能器。

正极通路包括相互连接的弹簧I7和正极引线8，弹簧I7与压电元件3内侧相抵，压电元件3内侧的正极信号通过弹簧I7和正极引线8导出。进一步的，为了将正极通路与外壳5绝缘，超声波换能器还包括将弹簧I7和压电元件3内侧与外壳5隔离开的绝缘衬套9。

负极通路包括相互连接的弹簧Ⅱ10和负极引线，弹簧Ⅱ10与外壳5内壁相抵接，外壳5和压电保护罩1均导电，压电元件3外侧的负极信号通过压电保护罩1、外壳5、弹簧Ⅱ10、负极引线导出。

正极引线和负极引线均从外壳5的顶部开口处引出，优选地，顶部开口处采用橡胶密封块、铜螺母等结构密封。进一步优选地，固定环6与外壳5固定连接处设置有橡胶密封圈，将超声波换能器内部密封起来。

可选地，压电保护罩1由不锈钢薄板制成。进一步可选地，压电保护罩1由0.05-0.2mm厚的不锈钢薄板制备而成，优选地，为了增强压电保护罩1强度，提高加工流转效率，本实施例中的压电保护罩1选用0.2mm的不锈钢薄板制成。

可选地，外壳5和固定环6由不锈钢制成，固定环6与外壳5之间通过螺纹连接和/或激光焊接相互固定。

可选地，凹凸结构4采用电火花、激光、喷砂、化学腐蚀等方式制作。

如上所述，当气泡尺寸小于超声波波长但是大于超声波波长的十分之一时，气泡会化成一个声源使超声波向四周散射。为了防止超声波的散射，需要将气泡分割为小于超声波波长十分之一的尺寸。因此凹凸结构4的高度、凸起单元之间的间距应小于耦合层2中超声波的波长的十分之一，这样就能保证停留在耦合层2中的气泡尺寸不再满足能够造成超声波散射的条件。

超声波波长的计算公式如下：

λ＝c/f

其中λ表示波长(m)；c表示超声波速度(m/s)；f表示超声波频率(Hz)。

由上述公式可知，凹凸结构4的结构尺寸由超声波信号的频率以及超声波在耦合层2中的传播速度来确定。例如：1MHz的超声波在介质中的传播速度为1000m/s时，波长为1mm。为了避免出现散射，介质内的气泡大小要小于100μm。

为了增加上述理论的可靠性，以适应不同的超声波频率和介质内超声波的传播速率，在测量1MHz的超声波信号时选择了5-10μm作为凹凸结构4的间隔和高度尺寸，当然也可以针对具体的情况对凹凸结构4的尺寸进行适当调整。

实施例二：

如图3所示，本实施例中的超声波换能器包括外壳5和上述封装结构。本实施例中的压电元件3被弹簧Ⅲ11压紧在压电保护罩1内侧，压电元件3的内侧与外壳5之间通过绝缘衬套9相互隔离，正极信号通过与压电元件3内表面互连的正极引线8导出，负极信号通过与压电元件3外表面电连接的压电保护罩1、与压电保护罩1电连接的外壳5、外壳5上的端子12、与端子12相连的负极引线导出。

同实施例一，本实施例中的超声波换能器的封装结构在压电保护罩1内侧设置有凹凸结构4，凹凸结构4的结构特征这里不作详述。

实施例三：

如图4所示，本实施例中的超声波换能器同样包括外壳5和上述封装结构，但本实施例中的正负极引线是通过触点13与压电元件3进行电连接。同实施例一，本实施例中的超声波换能器在压电保护罩1内侧设置有凹凸结构4，凹凸结构4的结构特征这里不作详述。

综上所述，本发明公开了一种超声波换能器封装结构，包括压电保护罩、耦合层和压电元件。压电保护罩内侧(与耦合层接触的一侧)设置有凹凸结构，这种结构将封装时耦合层与压电保护罩之间以及耦合层内的较大气泡分隔成微小气泡，微小气泡的尺寸小于耦合层中声的波长的十分之一，从而避免了较大气泡的散射作用，提高了超声波换能器的声学特性。

本发明还公开了包含上述封装结构的超声波换能器，需要说明的是，本发明公开的包含这种封装结构的超声波换能器不局限于以上三种实施例，本领域的技术人员能够想到将上述封装结构应用到其他结构的超声波换能器中，减小气泡对超声波换能器接收信号的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种超声波换能器封装结构，包括压电保护罩、耦合层和压电元件，所述压电保护罩从所述压电元件的接收发射面一侧罩在所述压电元件上，所述耦合层位于所述压电保护罩内侧和所述压电元件的接收发射面之间，其特征在于：

所述压电保护罩内侧设置有凹凸结构；

所述凹凸结构包括分布在所述压电保护罩内侧的若干凸起单元。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器封装结构，其特征在于：

所述凸起单元的相对高度和相邻所述凸起单元之间的最大间距小于超声波在所述耦合层中的波长的十分之一。

3.根据权利要求1所述的超声波换能器封装结构，其特征在于：

所述凸起单元为锯齿状、圆弧状或者梯形。

4.根据权利要求1所述的超声波换能器封装结构，其特征在于：

当所述超声波的频率为1MHz，在所述耦合层中的传播速度为1000m/s时，所述凸起单元的相对高度和相邻所述凸起单元之间的最大间距在5-10μm之间。

5.根据权利要求1所述的超声波换能器封装结构，其特征在于：

所述压电保护罩由厚度为0.05-0.2mm的不锈钢薄板制备而成。

6.根据权利要求1所述的超声波换能器封装结构，其特征在于：

所述压电保护罩由厚度为0.2mm的不锈钢薄板制备而成。

7.一种超声波换能器，其特征在于：

包括权利要求1-6任一所述的超声波换能器封装结构。

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