CN1599647A - 超声换能器和超声换能器的接合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器(1)，其由几个部件构成。这些部件是保护板(4)、压电盘(11)和壳(5)。保护板(4)和壳(5)由不同种类的导电材料组成，通过利用机械力影响和流过板(4)和壳(5)的电流将壳(5)和板(4)接合。此外，本发明还涉及一种超声换能器(1)的各部件(4，5，11)的接合方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在流动媒质中传播声音的超声换能器。这种类型的换能器被用在根据传输时间原理(transit-time principle)或者多普勒原理工作的超声波流量计中。本发明将主要用在根据传输时间原理工作的流体用超声波流量计中。然而，它可以用在超声波流量计的不同类型中。
背景技术
根据传输时间原理工作的超声波流量计包括一组或多组超声换能器，声音在其间传播。换能器交替用作超声波的发射器和接收器。换能器基本上由压电元件构成，该压电元件将电能转换成声音以及相反地将声音转换成电能。压电元件被设置在典型为不锈钢的壳中。压电元件通常不能抵抗流动流体例如分区供暖水的影响。因此，压电元件被一板所保护，该板也称为“窗”，其被设置在壳上。该保护板或窗由抗蚀材料制成，典型地是不锈钢。此后“板”意味着是超声波流量计的一部分，超声波从压电元件通过它传播至液体。该板可以被集成在测量管自身中，但是典型地该板是安装在测量管中的分立换能器的一部分。
在能量测量尤其是分区供暖测量的范畴内所用的大多数超声波流量计中，该板可以由包括钼的不锈钢制成。其它超声换能器具有由铝黄铜制成的保护板。于是超声换能器由将要被接合的两个部件组成。当这两个部件由不锈钢制成时，它们可以通过TIG(Tungsten Inert Gas，钨惰性气体)焊接、电子束焊接或激光焊接的方式焊接在一起。或者，这两个部件可以通过软焊接合在一起。当把超声换能器接合时存在公知的热工艺，但是这些工艺相当复杂、昂贵和耗费时间。而且，当控制温度使得关键部件例如压电盘不被损坏时经常存在问题。例如，与激光焊接有关的公知和普遍的问题是破裂，并且这对于将压电元件设置为与板紧密(直接或间接)机械和电气接触的超声换能器类型尤其是一个问题。这种紧密声学接触是必要的以便将超声波传播至流体中。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的在于使用比现有技术中所用方式更为简单、更快捷和更加容易的方式将组成超声换能器的各个部件接合。
超声换能器包括一壳和设置为与保护板接触的压电盘，由于壳和保护板由导电材料构成，其中壳所用材料不同于保护板所用材料，并且由于通过利用机械力作用和一在板和壳中传导的电流在热工艺中将板和壳接合，从而达到了上述目的。
于是在热接合工艺中将超声换能器的壳和板接合，其中利用在待接合的部件中传导电流而引起热量的产生。因此，壳以及板必须均是导电的。应用本发明令人惊讶地发现，即使在接合工艺中板和压电盘彼此密切机械接触，盘也不会热负荷过多。而且，通常设置在板和盘之间的声学中间层也不会因例如蒸发而受损。采用基于电的热接合工艺的优点在于：与其它焊接方法相比，它提供相当低的热量输入。这增加了换能器的设计可能性，因为压电盘现在可被胶合到板上，然后可以进行接合而不会显著影响胶条。这也应用于用油脂替代胶的情况。本工艺也比目前所用的制造工艺更加快捷。机械-电气-热接合工艺通常已公知的有电阻焊接或加压焊接，但是电阻钎焊也是可以的。接合中的温度可以低于或高于所用材料的熔点。接合可以发生在所用部件的熔融区，从而发生实际的焊接和钎焊，或者没有熔融区而产生部件的固相接合。取决于工艺参数，存在这两种情况之间的平滑过渡。在于1998年5月7日和8日在德国杜伊斯堡举办的会议“电阻焊的特别大会(Sondertagung Widerstandsschweissen)”中，在J.S.Hansen和J.Bruland，Danfoss A/S的题为“通过在具有不同特性的材料上镀覆金属镀层来改善凸焊倾向(Verbessern der Buckelschweissneigung durch metallische berzüge amBeispiel von Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften)”的文章中恰当地描述了电阻焊接。通过将板和壳选取为不同的材料实现了制造过程的简化。公知方法例如激光和TIG焊接的显著不足是它们不能被用于例如铜合金并且不适用于不同种类的接合材料。因此，本发明的特点是板和壳可以选取不同种类的材料。诸如法兰盘连接、螺纹连接等的机械接合方法是可能的替代方法，但是电阻焊接和相应的电阻钎焊得到更好的气密性并且在机械和几何上更加简单。于是，便宜的材料可以用于壳和另一材料用于板，后一材料符合传播的技术规范。
通过在接合前表面涂覆一个或两个部件，实现壳和板间的非常良好接合。例如，在化学浸渍工艺或在电化学电镀中，板可被设置有一涂层，该涂层在接合工艺期间因大电流而熔化，从而作为焊接材料。这将导致紧密固定和机械上可耐久焊接。
表面层主要由镍或镍和磷的化合物构成。
超声换能器的壳优选地由铜合金构成，特别优选由黄铜制成。用黄铜比用不锈钢制造壳的成本低，因为黄铜的金属切割更加容易。制造成本大约是不锈钢价格的一半。此外，可以用后续工艺通过热压制造黄铜壳。工件的数量大，这进一步降低制造成本。如果同时在这种材料组合之后进行上述的表面涂覆，可得到显著抗蚀性的超声换能器。
为了有助于接合工艺，例如，可以在壳和板之间设置用于焊接的环。
为了实现压电盘和保护板之间的良好电气接触，可以按照如下方式构成在面对盘的板的一侧上的涂层，使得它露出由涂层材料组成的多个鼻。这些鼻从声耦合层例如油脂伸出，并确保产生的各个接收到信号的更好传播。通过在涂覆前将具有孔的掩模施加到板上来制成这些鼻。这例如可以利用丝网印刷完成。当掩模被去除时，剩余部分将作为突出鼻。
鼻的高度应当选择成能实现从压电盘至流体的最大信号幅度。该高度取决于声耦合材料，但是具有从1至50μm的尺寸。
可以在面对压电元件的板的一侧形成突起来取代鼻。这种突起例如可以是具有10μm边缘高度和3μm顶宽度的圆。
实现电气接触的另一方法是在设置于板和压电元件之间的油脂层中加入小的金属微粒。
此外，本发明的目的还通过一种超声换能器的接合方法来实现，其中该方法包括：在热工艺中，利用机械力以及流过由导电材料组成的板和壳的电流，接合由第一材料组成的保护板和由第二材料组成的壳。
附图说明
下面参考附图介绍本发明的实施例，其中：
图1示出用于接合超声换能器的各部件的技术；
图2是根据本发明的超声换能器的剖面图；
图3a和3b示出了保护板的创造性实施例。
具体实施方式
图1是关于本发明超声换能器的各部件如何接合的示意图。超声换能器1的一部分通过导线3连接至电流发生器2。具有约600N强度的机械“力”作用在壳上，同时电流发生器通过板4和壳5送出约4KA的电流。热接合发生在接触区6中，在本实施例中接触区6是环形的。换句话说，保护板在壳上焊接成圆。于是，当部件彼此接触时，由于电接触阻值产生接触点中的局部加热。壳5优选地由脱锌抗蚀黄铜组成，而板4由不锈钢制成。其它的材料组合也是可以的。因此，例如易切削钢(即机加工钢)和不锈钢的不同种类的材料可以在电阻焊接工艺中接合。选择易切削钢作为壳的材料，而将不锈钢用于板。易切削钢的成本非常低，且可以在超声换能器首次使用之前在壳上涂覆一腐蚀保护涂层。也可以将铝-青铜用作板的材料，但是在材料的选择上存在限制，由于声波在传播过程中衰减，因此板必定不会太高。
用黄铜制作换能器壳的优点在于它比不锈钢便宜很多，大约一半的价格，因为黄铜中的金属切割更加容易和快捷。也可以通过热压和甚至可以更加便宜的后续修整来制造黄铜部件。
脱锌抗蚀黄铜通常是小超声热能计最常使用的材料。原因是它可以通过低成本和良好工艺的热锻造法成形，在许多情况下优于铸造。据大家所了解的那样，脱锌抗蚀黄铜没有更早地用于超声换能器。
在进行基于电流的热接合工艺前，壳或板或两者在电击和/或其中发生了淀积的化学湿法工艺中被表面修整。通过在工件上涂覆镍或镍和磷的化合物(NiP)，显著地改进了接合处和接合工艺。
当不锈钢和具有NiP涂层的黄铜组合时，NiP涂层熔化，因为它具有低于其它两种金属的较低熔点(880-950℃)。通常，电阻焊接也可以制造而不会实际上熔化该材料，即，如固相接合工艺，如扩散焊接，如摩擦焊接，如搅拌摩擦焊接(stir-friction-welding)，或如普通锻焊。
本发明的一个变形例是利用电阻钎焊来接合超声换能器，这意味着在板和换能器壳之间引入诸如焊接环或焊接膏的焊接材料。但是，工艺与电阻焊接的工艺相同，并且可以在用于电阻焊接的相同机器中进行。此外，存在电阻钎焊和电阻焊接之间的一个平滑过渡。
图2示出了角型超声换能器的剖面图。在压电盘11和板4之间设置有声耦合层13。该层可以是钎焊层、胶水或油脂。该层用于改善从盘经由板至媒质的声传播。压电盘必须与板4密切接触。弹簧9用它的力将盘固定住。弹簧被设置在电绝缘合成壳8中并具有将盘推入位置同时用作电端子的臂14。进出压电盘的电信号通过连接10在臂14上传导，而接地电缆被焊接至端子7。端子7是壳的一体部件并且是实现接地接触的容易、便宜和可靠方式。
已知的是使用了典型为不锈钢的薄板4，并且通常具有0.05-0.1mm的厚度。薄板的优点是良好的换能器功能(高灵敏度和低Q)。缺点是对于诸如流体压力、磨损、水冲击等的机械影响具有相当大的灵敏度。薄板要求压电盘能够将流体压力传递给可匹配流体压力的“背衬”，这使得结构复杂化。
也知道的是使用厚板。典型的结构是具有与板中声波波长的一半相对应的厚度的不锈钢，即在典型应用的1MHz声频率处不锈钢为大约3mm。也知道是采用具有大约0.8mm厚度的铝青铜板。
板材料关于价格不是重要的，因为板的几何形状简单(环形窗)并因此便宜地制作出，而与所用材料的种类无关。总之，不锈钢的厚板是优选的，因为它尤其非常适合于与黄铜组合的电阻焊接。采用油脂作为板和压电盘之间的声接触媒介是有利的。油脂耦合的成本低且比替代的胶合简单，胶合需要特别彻底的表面处理并且考虑到制造区域的环境可能存在问题。
如上所述，有利地是电阻焊接的工艺产生非常低的热输入，采用这种方式，油脂和压电盘可以在焊接之前被安装而不会有过度加热油脂的危险。而且，不需要考虑聚合物壳8的熔点。本发明可以结合上述所有实施例的板来应用。
图3a示出板4的实施例，其中它具有分离伸出的突出鼻15。鼻的任务是确保盘和板之间的电接触。这些鼻通过掩模工艺制造，例如通过丝网印刷，并且具有给出从压电盘经由声耦合层至板并且然后至媒质的最佳声传播的高度。该高度在1至50μm的范围内并且取决于所选声耦合层。对于油脂的特殊种类，优选的高度是10μm+/-5μm。板4显示出与突出鼻15同时制造出的表面涂层16。图3b示出压电盘11和板4的剖面图。
确保良好电接触的另一方法是在面对压电盘的一侧板中制作出导电突起。这种突起可以由例如具有10μm的高度和5μm的宽度的突出环构成。该突起作为盘和板之间的隔板。
如果选择油脂作为声耦合媒介，可以加入小的金属微粒。这些微粒或球增强了油脂中的导电性并因此增强了信号传播，并且同时用作至板的隔板。
本发明尤其用在分区供暖仪表中，其可以制造成“直接”声传播或具有多次反射地传播。在后一种情况下，通过多个声镜来控制声音传播。
Claims (11)
1.一种用于在气体或液体中传播声音的超声换能器(1)，其中，所述换能器包括一包含压电盘(11)的壳，所述压电盘(11)用作振动元件且被设置为与保护板接触，其特征在于，所述保护板(4)和所述壳(5)由导电材料制成，其中，所述保护板所用的材料种类不同于所述壳所用的材料种类，并且所述板和所述壳在热工艺中通过机械力和流过该板和该壳的电流的作用而接合。
2.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述保护板或所述壳设置有表面涂层(16)。
3.按照权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述表面涂层(16)主要由镍组成或者是镍和磷的化合物。
4.按照权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，所述壳由铜合金尤其是黄铜组成，并且所述保护板由不锈钢组成。
5.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，在所述壳和所述板之间设置诸如焊接配件、焊膏或焊剂的装置以有助于接合工艺。
6.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述保护板在面对所述压电盘(11)的一侧的表面涂层上设置有一个或多个突出鼻(15)。
7.按照权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述鼻具有给出至液体或气体的最佳声音传播的高度。
8.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述保护板在面对所述压电盘的一侧上设置有一突起。
9.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，在所述压电盘和所述保护板之间设有一声耦合层(13)。
10.按照权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，所述在所述压电盘和所述保护板之间的声耦合层(13)内混有颗粒尺寸在1-50μm之间的金属微粒。
11.一种用于在气体或液体中传播声音的超声换能器的接合方法，其中，所述换能器(1)包括一包含压电盘的壳，所述压电盘用作振动元件且被设置为与保护板接触，其特征在于，所述保护板(4)和所述壳(5)由导电材料制成，以及所述保护板所用的材料种类不同于所述壳所用的材料种类，并且所述板和所述壳在热工艺中利用机械力和流过该板和该壳的电流而接合。
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