ES2280287T3 - Transductor piezoelectrico de sonidos. - Google Patents
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Abstract
Transductor de ultrasonidos, en especial del tipo de oscilador longitudinal, con al menos un elemento (16) piezoeléctrico dispuesto entre dos sectores (12, 14) de sujeción, estando previsto al menos un órgano (18) de sujeción que actúa en combinación con los sectores (12, 14) de sujeción, de tal manera que el elemento (16) piezoeléctrico está tensado previamente por los sectores (12, 14) de sujeción, estando configurado el órgano (18) de sujeción como muelle tensor de forma anular, y presentando una pared, caracterizado porque en la pared está configurada al menos una escotadura (22, 24) periférica que presta a la pared un efecto elástico en dirección axial.
Description
Transductor piezoeléctrico de sonidos.
La invención se refiere a un transductor de
ultrasonidos, en especial del tipo de oscilador longitudinal, según
el preámbulo de la reivindicación 1.
El documento US 3,351,787 describe un
acelerómetro con una pila de cristales piezoeléctricos, para la que
está prevista una envuelta elástica de tensión previa.
Tales transductores de ultrasonidos se designan
también como osciladores longitudinales compuestos u osciladores de
media onda. El elemento piezoeléctrico provisto con las superficies
de los electrodos, se polariza y establece contacto de tal manera
que al aplicar una tensión alterna de frecuencia apropiada, toda la
estructura entra en resonancia respecto a la dirección axial. El
elemento piezoeléctrico dispuesto entre sectores de sujeción, se
encuentra aquí en una zona de máxima tensión mecánica y mínima
velocidad mecánica de oscilación. La emisión del ultrasonido se
lleva a cabo desde la cara frontal libre de uno de los sectores de
sujeción que actúa como guía de ondas. Para conseguir una potencia
de emisión lo más alta posible con suficiente estabilidad de la
disposición, se tensa previamente el elemento piezoeléctrico sobre
los sectores de sujeción, mediante un órgano de sujeción.
Es misión de la invención crear un transductor
de ultrasonidos del tipo citado en el preámbulo, con el menor
tamaño constructivo posible. En el que pueda conseguirse la mayor
tensión previa posible del elemento piezoeléctrico, sin que se
perjudiquen desventajosamente las características de la oscilación
del transductor de ultrasonidos.
La solución de esta misión se lleva a cabo
mediante las notas características indicadas en la parte
significativa de la reivindicación 1.
Mediante la previsión de una escotadura
periférica en un órgano anular de sujeción, se obtiene un recorrido
máximo del muelle para una longitud constructiva axial mínima.
Gracias al gran recorrido del muelle en comparación con la longitud
constructiva, pueden realizarse grandes tensiones previas del
elemento piezoeléctrico, sin rebasar por ello la capacidad de carga
permisible del muelle tensor. Por consiguiente, incluso para grande
tensiones previas para oscilaciones, el muelle tensor está en
condiciones que no perjudican el funcionamiento del transductor de
ultrasonidos.
Gracias a la pequeña longitud constructiva del
muelle tensor según la invención, este actúa únicamente en
combinación con las zonas de los sectores de sujeción, que lindan
directamente con el elemento piezoeléctrico. En estas zonas las
amplitudes de la oscilación y las velocidades de oscilación, son
pequeñas. De preferencia, el muelle tensor según la invención, se
atornilla con los dos sectores de sujeción, atornillándose estos con
interposición del elemento piezoeléctrico, desde lados opuestos en
el muelle tensor de forma anular. Gracias a la longitud
constructiva axial mínima, hecha posible según la invención, se
impide que el muelle tensor actúe en combinación con los sectores
de sujeción, en zonas de la rosca de intensa actividad oscilatoria,
más alejadas axialmente del elemento piezoeléctrico. De este modo se
impiden efectos amortiguadores perturbadores en las zonas de la
rosca.
Otra ventaja de la invención es que el muelle
tensor puede adaptarse acertadamente al respectivo transductor de
ultrasonidos, mediante un dimensionado apropiado de la escotadura
periférica. La escotadura periférica puede dimensionarse
ventajosamente de tal manera que, para la tensión previa elástica
teórica, deseada en cada caso, para el elemento piezoeléctrico, por
una parte exista un recorrido suficiente del muelle y, por otra
parte, no se sobrepase la tensión máxima permisible o capacidad de
carga del material que forma el muelle tensor.
Por lo demás, la escotadura periférica puede
dimensionarse acertadamente -en especial también en función de las
dimensiones del mismo muelle tensor- de tal manera que en la gama de
las frecuencias de trabajo del transductor de ultrasonidos, no
aparezcan modos ningunos de oscilaciones propias del muelle tensor.
En especial, el funcionamiento de osciladores longitudinales de
banda ancha no se perjudica de este modo en la gama principal de
frecuencias de transmisión, o gama de frecuencias de trabajo, por
el muelle tensor. Además, mediante el correspondiente
acondicionamiento de la escotadura periférica, el muelle tensor
puede configurarse de tal manera que también se impidan tales modos
propios de oscilación del muelle tensor, que desde luego están
situados fuera de la gama de frecuencias de trabajo del transductor
de ultrasonidos, pero que sin embargo pueden conducir a
perturbaciones perjudiciales de su funcionamiento.
Por lo tanto, según la invención puede llevarse
a cabo de forma sencilla una optimización del espectro de
oscilaciones propias del muelle tensor, en función de las
características o del comportamiento funcional del respectivo
transductor de ultrasonidos.
Los grandes recorridos del muelle, posibles a
causa de la invención, tienen la ventaja de que la influencia de
variaciones de los parámetros ambientales como, por ejemplo, de la
temperatura, sobre el funcionamiento del transductor de
ultrasonidos, es mínima, y se compensan procesos de envejecimiento
en el material del muelle. Según la invención se puede obtener pues
una alta resistencia contra condiciones variables de trabajo o
ambientales, y contra el envejecimiento.
La escotadura periférica está configurada de
preferencia en forma de rendija o de hendidura. Por lo demás, la
escotadura periférica se extiende en dirección radial, de
preferencia a través de toda la pared del muelle anular, es decir,
de preferencia la pared del muelle anular está interrumpida en
dirección axial en toda la zona angular de la escotadura
periférica.
Según una forma especialmente preferente de
realización, está previsto que la escotadura periférica, esté
rellena al menos parcialmente, con un material amortiguador de las
vibraciones. Fenómenos perturbadores transitorios y vibratorios
pueden amortiguarse acertadamente mediante una medida semejante, y
de este modo se hacen inoperantes.
De preferencia se emplea un material de relleno
con el que se vacía la escotadura periférica.
Especialmente ventajosa es la previsión de una
masa amortiguadora que rellene al menos parcialmente la escotadura
periférica en aplicaciones en las que deben de emitirse o recibirse
con el transductor de ultrasonidos, impulsos cortos de
ultrasonidos, puesto que en este caso el funcionamiento transitorio
y vibratorio del transductor de ultrasonidos, tiene mucha
importancia desde el punto de vista de la metrología.
Es posible una adaptación especialmente buena
del muelle tensor a las respectivas exigencias, cuando según otra
realización preferente, el muelle tensor presenta dos escotaduras
periféricas distanciadas axialmente.
Con un diseño semejante de dos escalones, pueden
obtenerse grandes tensiones previas con grandes recorridos
simultáneos del muelle, sin aumentar esencialmente la longitud
constructiva axial, y sin dificultar esencialmente la prevención de
modos perturbadores de oscilación propia.
Básicamente se resuelve también
satisfactoriamente la misión en que se funda la invención, mediante
la previsión de tres o más escotaduras periféricas. La evitación o
supresión de los modos perturbadores de oscilación propia, está
unida evidentemente con un gasto mayor. En tales casos puede ser
ventajoso y es posible según la invención, dimensionar los
componentes constructivos del transductor de ultrasonidos, en
función de las características optimizadas del muelle tensor, en
lugar de adaptar el muelle tensor al transductor de
ultrasonidos.
Otras formas preferentes de realización de la
invención, están indicadas en las reivindicaciones secundarias, en
la descripción, así como en el dibujo.
La invención se describe a continuación, a
título de ejemplo, haciendo referencia al dibujo, cuya única figura
muestra un alzado lateral en corte de un transductor de ultrasonidos
según la invención.
El transductor de ultrasonidos según la
invención comprende dos sectores 12, 14 de sujeción, de los cuales,
uno 12 está fabricado de un metal pesado como, por ejemplo, acero, y
el otro 14 de un metal ligero, en especial de titanio, aluminio o
magnesio. Según la invención, en principio también se toman en
cuenta otros materiales.
Cada uno de los dos sectores 12, 14 de sujeción,
está provisto con una rosca 13, 15 exterior mediante la cual están
atornillados con la rosca 19 interior de un muelle 18 tensor de
forma anular. El muelle 18 tensor sirve como un órgano de sujeción
con el cual puede comprimirse un elemento 16 piezoeléctrico entre
las caras frontales vueltas una hacia la otra de los sectores 12,
14 de sujeción atornillados con el muelle 18 tensor. Mediante la
profundidad de atornillado de los sectores 12, 14 de sujeción, puede
ajustarse una tensión previa deseada en cada caso, del elemento 16
piezoeléctrico.
El elemento 16 piezoeléctrico está fabricado de
preferencia, de una cerámica piezoeléctrica, y puede estar
subdividido -como está ilustrado en la figura- en varios discos 16a,
16b.
Los discos 16a, 16b piezoeléctricos están
provistos con electrodos 28 planos que pueden mandarse mediante
conexiones 32 con una tensión alterna de frecuencia predeterminada,
de tal manera que la longitud axial del elemento 16 piezoeléctrico,
es decir el espesor de cada disco, varíe correspondientemente con el
tiempo. El elemento 16 piezoeléctrico forma así una fuente axial de
energía, con la que, para la frecuencia apropiada de la tensión
alterna aplicada, toda la disposición responde en vibraciones
axiales u oscilaciones longitudinales, y aquí puede ser estimulada
a una resonancia longitudinal.
La cara frontal libre del sector 14 de sujeción
(en la figura, el derecho) fabricado del material ligero, sirve
aquí como superficie 34 de emisión y/o de recepción, mediante la
cual se emiten las señales de ultrasonidos, o a través de la cual
se reciben las señales de ultrasonidos.
Mientras que el elemento 16 piezoeléctrico está
situado en la zona de máxima tensión mecánica y mínima velocidad de
oscilación de toda la estructura, la velocidad de oscilación es
máxima en el plano de la superficie 34 de emisión y/o de recepción.
Este efecto puede reforzarse haciendo que el sector 14 de sujeción,
compuesto del material ligero, se configure reduciéndose en la
dirección de la superficie 34 de emisión y/o de recepción, aunque
aumentando de nuevo el diámetro del sector 14 de sujeción, antes del
extremo libre, de tal manera que la superficie 34 de emisión y/o de
recepción se forme por un sector 50 terminal de forma de placa. De
este modo se obtiene una minimización del peso, no reduciéndose el
tamaño de la superficie 34 de emisión y/o de recepción, a causa de
la placa 50 que aumenta la superficie. En la figura está ilustrado
tan sólo esquemáticamente un acondicionamiento semejante del sector
14 de sujeción, mediante líneas de trazos.
En general, una estructura compuesta de tal
manera, en la que un elemento 16 piezoeléctrico de una sola o de
varias piezas, está aprisionado entre dos sectores 12, 14 de
sujeción, se designa también como oscilador longitudinal compuesto
o como oscilador de media onda.
Un transductor semejante de ultrasonidos se
emplea en aplicaciones industriales, por ejemplo, para la medición
de distancias y para la medición de caudales, emitiéndose y
recibiéndose impulsos cortos de ultrasonidos.
En el sector 12 de sujeción, izquierdo en la
figura, está previsto un canal 36 central, cuyo eje central coincide
con el eje 27 longitudinal de toda la disposición. El canal 36 así
como aberturas 17a, 17b centrales en los discos 16a, 16b
piezoeléctricos, sirven para el alojamiento de líneas 38 de conexión
para el mando de los electrodos 28 a través de las conexiones 32,
estando esto ilustrado en la figura, únicamente en forma
esquemática.
El muelle 18 tensor para el tensado previo del
elemento 16 piezoeléctrico, presenta una pequeña longitud
constructiva axial, y está ensanchado radialmente hacia fuera en un
sector central dispuesto en la zona del elemento 16 piezoeléctrico,
con respecto a los sectores frontales del borde, en los que el
muelle 18 tensor está atornillado con los sectores 12, 14 de
sujeción.
En este sector central, en la pared del muelle
18 tensor, están configuradas dos escotaduras 22, 24 periféricas
con idéntica sección transversal rectangular. En las escotaduras 22,
24 periféricas, la pared del muelle 18 tensor, está completamente
cortada, es decir, la pared del muelle 18 tensor está interrumpida
en dirección axial por las escotaduras 22, 24, en la
correspondiente zona periférica.
Las escotaduras 22, 24 periféricas se extienden
en una zona angular mayor o menor, en función de la respectiva
aplicación, es decir, en una parte mayor o menor de la periferia del
muelle 18 tensor. Aquí es preferente cuando los sectores que quedan
de la periferia, que unen una con otra cada dos de las zonas 18a,
18b, 18c del muelle 18 tensor, separadas axialmente por las
escotaduras 22, 24, están dispuestos desplazados unos respecto a
otros en dirección periférica. Así por ejemplo, es posible
configurar cada una de las dos escotaduras 22, 24, de tal manera
que en dirección periférica estén interrumpidas únicamente por un
nervio comparativamente corto, estando dispuestos los dos nervios
desplazados 180º uno respecto al otro en dirección periférica.
Gracias a la previsión de las escotaduras o
rendijas o hendiduras 22, 24, se forman en la pared del muelle 18
tensor, zonas de tensión de flexión que actúan como elementos
elásticos. De este modo se aumenta el recorrido axial elástico que
está disponible, del muelle 18 tensor, sin que por ello sea
necesario un aumento de su longitud constructiva axial.
Las escotaduras 22, 24 periféricas, en función
de las dimensiones, en especial de la longitud axial del muelle 18
tensor, están dimensionadas y dispuestas de tal manera que en la
gama de frecuencias de trabajo o en la gama principal de
frecuencias de transmisión del transductor de ultrasonidos, no se
generen ningunas oscilaciones propias del muelle 18 tensor. Así
pues el muelle 18 tensor, mediante el acondicionamiento apropiado de
las escotaduras 22, 24 periféricas, puede adaptarse en forma
especialmente sencilla a los respectivos transductores de
ultrasonidos, o a sus parámetros funcionales exigidos.
Por lo demás, las escotaduras 22, 24 periféricas
están vaciadas con una masa 26 amortiguadora, con lo que se
amortiguan efectos perturbadores transitorios y vibratorios. Tales
fenómenos transitorios y vibratorios pueden estimularse mediante
oscilaciones propias del muelle 18 tensor, situadas fuera de la gama
de frecuencias de trabajo del transductor de ultrasonidos. En
principio, es posible un funcionamiento satisfactorio del
transductor de ultrasonidos según la invención, incluso sin vaciar
las escotaduras 22, 24. Sin el material amortiguador de las
oscilaciones en las escotaduras 22, 24 periféricas, naturalmente
bajo determinadas circunstancias, puede pasar que el funcionamiento
del transductor de ultrasonidos se perjudique por las oscilaciones
propias del muelle 18 anular. Esto se impide con seguridad mediante
el material en las escotaduras 22, 24.
Mediante la elección de un material 26
amortiguador apropiado; por ejemplo de una masa elástica de relleno,
puede adaptarse acertadamente el muelle 18 tensor a las respectivas
circunstancias.
A diferencia de la forma de realización de la
invención, descrita precedentemente, con un diseño de dos escalones
de escotaduras, rendijas o hendiduras, el muelle 18 tensor puede
estar provisto únicamente con una única escotadura periférica, o
alternativamente, también con tres o con un número todavía mayor de
escotaduras periféricas.
- 12
- Sector de sujeción
- 13
- Rosca exterior
- 14
- Sector de sujeción
- 15
- Rosca exterior
- 16
- Elemento piezoeléctrico
- 16a
- Disco
- 16b
- Disco
- 17a
- Abertura
- 17b
- Abertura
- 18
- Órgano de sujeción, muelle tensor
- 18a
- Zonas del muelle tensor
- 18b
- Zonas del muelle tensor
- 18c
- Zonas del muelle tensor
- 19
- Rosca interior
- 22
- Escotadura periférica
- 24
- Escotadura periférica
- 25
- Material amortiguador
- 26
- Masa de relleno
- 27
- Eje longitudinal
- 28
- Electrodo
- 32
- Conexión
- 34
- Superficie de emisión y/o de recepción
- 36
- Canal
- 38
- Líneas de conexión
- 50
- Sector terminal de forma de placa.
Claims (11)
1. Transductor de ultrasonidos, en especial del
tipo de oscilador longitudinal, con al menos un elemento (16)
piezoeléctrico dispuesto entre dos sectores (12, 14) de
sujeción,
estando previsto al menos un órgano (18) de
sujeción que actúa en combinación con los sectores (12, 14) de
sujeción, de tal manera que el elemento (16) piezoeléctrico está
tensado previamente por los sectores (12, 14) de sujeción,
estando configurado el órgano (18) de sujeción
como muelle tensor de forma anular, y presentando una pared,
caracterizado porque en la pared está
configurada al menos una escotadura (22, 24) periférica que presta a
la pared un efecto elástico en dirección axial.
2. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1, caracterizado porque están previstas dos
escotaduras (22, 24) periféricas distanciadas axialmente.
3. Transductor de ultrasonidos según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el espectro de
oscilaciones propias del muelle (18) tensor, está optimizado en
función del respectivo transductor de ultrasonidos, en especial, de
su gama de frecuencias de trabajo.
4. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
muelle (18) tensor está configurado de tal manera que en la gama de
frecuencias de trabajo del transductor de ultrasonidos, están
impedidas las oscilaciones propias del muelle (18) tensor.
5. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
muelle (18) tensor está configurado de tal manera que están
suprimidos fenómenos transitorios y/o vibratorios que se provoquen
por oscilaciones propias del muelle (18) tensor, fuera de la gama de
frecuencias de trabajo del transductor de ultrasonidos.
6. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
escotadura (22, 24) periférica está rellena al menos parcialmente
con un material amortiguador de las oscilaciones, en especial con
una masa (26) de relleno.
7. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
escotadura (22, 24) periférica es de forma de rendija o de
hendidura.
8. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
escotadura (22, 24) periférica presenta una sección transversal
rectangular.
9. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
superficies limitadoras axiales de la escotadura (22, 24)
periférica, discurren perpendiculares al eje (27) longitudinal del
muelle tensor.
10. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
pared del muelle (18) tensor, está completamente cortada en la
escotadura (22, 24) periférica.
11. Transductor de ultrasonidos según alguna de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
muelle (18) tensor, en la zona de la escotadura (22, 24) periférica,
está ensanchado radialmente hacia fuera, respecto a sus sectores
frontales del borde.
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