TWI724671B - 換能器及其壓電環堆疊 - Google Patents

Abstract

一種換能器之壓電環堆疊包含基座單元、第一壓電環組、以及第二壓電環組。第一壓電環組設置於基座單元上，並包含第一壓電環，各第一壓電環具有第一外徑。第二壓電環組設置於基座單元上，且至少部分環繞第一壓電環組。第一壓電環組與第二壓電環組之間設有徑向間隔。第二壓電環組包含第二壓電環，各第二壓電環具有第二外徑，且第二外徑大於第一外徑。

Description

換能器及其壓電環堆疊

本揭露實施例是有關於一種換能器及其壓電環堆疊。

聲納系統係採用聲波進行探測的設備。聲納系統在汽車監視器、魚雷定位、及水中探測等領域有著廣泛應用。由於光和電磁波在水中衰減很快，而聲波衰減較慢。因此，聲納系統成為水下監視使用的主要技術，用於對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤。

在聲納系統中，換能器扮演重要的角色。換能器的工作原理係對換能器中的壓電元件通電，使其產生振盪而發出聲波。然而，目前的換能器有著體積過大的缺點，並且壓電元件無法得到高效的配置。

本揭露之目的在於提出一種換能器及其壓電環堆疊，藉由內、外壓電環的設置而使壓電元件得到高效的配置，並且大幅縮減換能器之體積。

根據本揭露之上述目的，提出一種換能器之壓電環堆疊包含基座單元、第一壓電環組、以及第二壓電環組。第一壓電環組設置於基座單元上，並包含第一壓電環，各第一壓電環具有第一外徑。第二壓電環組設置於基座單元上，且至少部分環繞第一壓電環組。第一壓電環組與第二壓電環組之間設有徑向間隔。第二壓電環組包含第二壓電環，各第二壓電環具有第二外徑，且第二外徑大於第一外徑。

在一些實施例中，第一壓電環之數量不同於第二壓電環之數量。

在一些實施例中，第一壓電環之一者的厚度不同於第二壓電環之一者的厚度。

在一些實施例中，第一壓電環之一者的環寬不同於第二壓電環之一者的環寬。

在一些實施例中，基座單元之一側具有不等高之第一表面與第二表面，第一壓電環組設置於第一表面上，第二壓電環組設置於第二表面上。

在一些實施例中，基座單元具有凸部或凹部以形成第一表面或第二表面。

在一些實施例中，設置於第一表面之第一壓電環組在高度上對齊設置於第二表面之第二壓電環組。

在一些實施例中，壓電環堆疊更包含第三壓電環組。第三壓電環組設置於基座單元上並至少部分環繞第二壓電環組。第二壓電環組與第三壓電環組之間設有徑向間隔。第三壓電環組包含第三壓電環，各第三壓電環具有第三 外徑，第三外徑大於第二外徑。

根據本揭露之上述目的，另提出一種換能器，其包含壓電環堆疊以及固定單元。壓電環堆疊包含基座單元、第一壓電環組、以及第二壓電環組。第一壓電環組設置於基座單元上，並包含第一壓電環，各第一壓電環具有第一外徑。第二壓電環組設置於基座單元上，且至少部分環繞第一壓電環組。第一壓電環組與第二壓電環組之間設有徑向間隔。第二壓電環組包含第二壓電環，各第二壓電環具有第二外徑，且第二外徑大於第一外徑。固定單元，按壓第一壓電環組與第二壓電環組，且與基座單元接合，以將第一壓電環組與第二壓電環組固定於基座單元。

在一些實施例中，換能器更包含封閉蓋。封閉蓋接合基座單元，以將第一壓電環組與第二壓電環組密封於封閉蓋與基座單元所形成之容置空間。

綜上所述，在本揭露之換能器及其壓電環堆疊中，複數壓電環組以內圈、外圈的方式設置，因此可降低整體高度，以致換能器應用於水下探測時，可搭載於近底航測載具，而且抗流穩定性佳。此外，藉由複數壓電環組的設置，使得換能器可以達到多頻段的應用。其中，當諧振頻率拉開時，較低頻段可應用於遠距高穿透，例如透地偵測，而較高頻段可應用於近距高解析，例如底床面掃描。另外，當諧振頻率拉近時，可增加頻帶寬，以提高回波訊躁辨別度與偵測解析度。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1:換能器

10、10a、10b、10c、10d、10e:壓電環堆疊

11、11a:基座單元

111:裝設孔

112:金屬基座

113:絕緣墊

114:凸部

12:第一壓電環組

121:第一壓電環

13:第二壓電環組

131:第二壓電環

14:第三壓電環組

141:第三壓電環

20:固定單元

21:配重件

22:按壓件

23:輔助組件

24:軸件

25:鎖固件

A:容置空間

C:封閉蓋

R1:第一外徑

R2:第二外徑

R3:第三外徑

S1:第一表面

S2:第二表面

T1:第一厚度

T2:第二厚度

T3:第三厚度

W1:第一環寬

W2:第二環寬

W3:第三環寬

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

〔圖1A〕為本揭露實施例之換能器的剖面示意圖。

〔圖1B〕為本揭露實施例之換能器之壓電環堆疊的上視示意圖。

〔圖2〕為本揭露實施例之基座單元之另一實施態樣的示意圖。

〔圖3A〕至〔圖3D〕為本揭露實施例之第一壓電環與第二壓電環在尺寸與數量上具有多種配置之實施態樣的示意圖。

〔圖4〕為本揭露實施例之壓電環堆疊更包含第三壓電環組的示意圖。

〔圖5〕為本揭露實施例之壓電環組之電性連接的示意圖。

〔圖6A〕及〔圖6B〕為本揭露實施例之換能器之傳輸電壓響應之模擬圖。

以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理 解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論與揭示的實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。本揭露的所有實施例揭露多種不同特徵，但這些特徵可依需求而單獨實施或結合實施。另外，關於本文中所使用之「第一」、「第二」、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。此外，本揭露所敘述之二元件之間的空間關係不僅適用於圖式所繪示之方位，亦適用於圖式所未呈現之方位，例如倒置之方位。此外，本揭露所稱二個部件的「接合」、「耦接」、「電性連接」或之類用語並非僅限制於此二者為直接的接合、耦接、或電性連接，亦可視需求而包含間接的接合、耦接、或電性連接。

圖1A為本揭露實施例之換能器1的剖面示意圖。如圖1A所示，換能器1包含壓電環堆疊10以及固定單元20。本揭露不限制換能器1的應用範圍，其可例如應用於地上或水下的聲納系統，當應用於水下時，可例如應用於高頻聲波之海床面地形測繪及/或低頻聲波之海床面下物體測。

請參照圖1A，壓電環堆疊10包含基座單元11、第一壓電環組12、以及第二壓電環組13。第一壓電環組12與第二壓電環組13設置於基座單元11上。基座單元11具有裝設孔111以供固定單元20接合。在一些例子中，基座單元11可藉由其他方式或結構來與固定單元20接合，此時基座單元11可不需配置裝設孔111。本揭露實施例不特別限制基座單元11之形狀，於此是以基座單元11為平板結構為例。 在其他實施例中，基座單元11可為其他結構，例如蓋體結構。圖2為基座單元之另一實施態樣的示意圖。如圖2所示，基座單元11a包含金屬基座112及絕緣墊113，絕緣墊113設置於金屬基座112上，並可例如嵌設於金屬基座112。在此態樣中，第一壓電環組12與第二壓電環組13可藉由絕緣墊113而設置於金屬基座112上，以避免與金屬基座112接觸。

圖1B為本揭露實施例之壓電環堆疊10的上視示意圖，請參照圖1A及圖1B，第一壓電環組12設置於基座單元11上，並包含複數第一壓電環121，於此是以偶數個第一壓電環121為例，例如是6個。第一壓電環121由壓電材料製成。壓電材料例如但不限於包含單晶體(例如鐵電晶體)、多晶體(例如陶瓷)、聚合物[例如聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)]或複合材料(例如陶瓷與聚合物之複合材料)。第一壓電環121為環形，例如是封閉環形。第一壓電環121沿Y方向(第一壓電環121與第二壓電環131之軸向)對齊並堆疊於基座單元11上。第一壓電環121具有第一外徑R1、第一厚度T1、及第一環寬W1。在本實施例中，各第一壓電環121具有相同的外徑R1、厚度T1、及環寬W1。在一例子中，第一壓電環121之第一外徑R1、第一厚度T1、及第一環寬W1可依傳輸電壓響應(transmitting voltage response,TVR)模擬及/或產品需求而調整。

第二壓電環組13設置於基座單元11上，並包含複數第二壓電環131，於此是以偶數個第二壓電環131為例，例如是6個。第二壓電環131亦可由上述之壓電材料製 成。第二壓電環131為環形，例如是封閉環形。第二壓電環131沿Y方向對齊並堆疊於基座單元11上。第二壓電環131具有第二外徑R2、第二厚度T2、及第二環寬W2。在本實施例中，各第二壓電環131具有相同的外徑R2、厚度T2、及環寬W2。在一例子中，第二壓電環131之第二外徑R2、第二厚度T2、及第二環寬W2可依傳輸電壓響應模擬及/或產品需求而調整。

在本實施例中，第二壓電環131之第二外徑R2大於第一壓電環121之第一外徑R1，並且第二壓電環組13與第一壓電環組12在Y方向上同軸設置，且在X方向(第一壓電環121與第二壓電環131之徑向)上間隔設置。換言之，第二壓電環組13至少部分環繞第一壓電環組12，且二者之間具有間隙。間隙係使第二壓電環組13與第一壓電環組12彼此不接觸。在一例子中，間隙可填充絕緣膠或絕緣的間隔物。

在本實施例中，第二壓電環131之第二外徑R2大於第一壓電環121之第一外徑R1，第二壓電環131之第二厚度T2與第一壓電環121之第一厚度T1相同，第二壓電環131之第二環寬W2與第一壓電環121之第一環寬W1相同，並且第一壓電環121之數量與第一壓電環121之數量相同。在其他實施例中，第一壓電環121與第二壓電環131在尺寸與數量上之配置可有多種變化態樣，以下舉例說明之。

請參照圖3A，在本揭露實施例之壓電環堆疊10a中，第一壓電環組12之第一壓電環121之第一厚度T1大 於第二壓電環組13之第二壓電環131之第二厚度T2，同時，第一壓電環組12之數量少於第二壓電環組13之數量，並且在此例子中，第一壓電環組12a與第二壓電環組13之上表面相互對齊。舉例來說，第一壓電環121之厚度T1為9mm，數量為4個，而第二壓電環131之厚度T2為6mm，數量為6個，因此，整體而言，當第一壓電環組12與第二壓電環組13設置於基座單元11時，第一壓電環組12與第二壓電環組13之上表面(或是高度)相互對齊。

如圖3B所示，在本揭露實施例之壓電環堆疊10b中，基座單元11之同一側包含不等高之第一表面S1與第二表面S2。於此，基座單元11包含凸部114，而凸部114之上表面為第二表面S2，基座單元11之凸部114以外之部分提供第一表面S1，第一表面S1低於第二表面S2。在其他實施例中，基座單元11可包含凹部以形成第一表面或第二表面。第二壓電環組13設置於凸部114(第二表面S2)上，而第一壓電環組12設置於第一表面S1上。在本實施例中，第一壓電環121之厚度T1大於第二壓電環131之厚度T2。雖然第一壓電環121之厚度T1大於第二壓電環131之厚度T2，但是藉由凸部114之設置，可在第二壓電環131之數量與第一壓電環121之數量相同(本實施例中均為4個)的情況下，第一壓電環組12與第二壓電環組13之上表面相互對齊。換言之，設置於第一表面S1之第一壓電環組12在高度上對齊設置於第二表面S2之第二壓電環組13。

如圖3C所示，在本揭露實施例之壓電環堆疊 10c中，基座單元11包含凸部114，凸部114之上表面為第一表面S1，而基座單元11之凸部114以外之部分提供第二表面S2，第一表面S1高於第二表面S2。第一壓電環組12設置於凸部114(第一表面S1)上，第二壓電環組13設置於第二表面S2上。第一壓電環121之厚度T1與第二壓電環131之厚度T2相同。由於凸部114之高度為2個第一壓電環121(或2個第二壓電環131)之厚度和，因此雖然第一壓電環121為4個而第二壓電環131為6個，第一壓電環組12與第二壓電環組13之上表面仍是相互對齊。換言之，設置於第一表面S1之第一壓電環組12在高度上對齊設置於第二表面S2之第二壓電環組13。

如圖3D所示，在本揭露實施例之壓電環堆疊10d中，第二壓電環組13之第二壓電環131之第二環寬W2大於第一壓電環組12之第一壓電環121之第一環寬W1。此外，在本實施例中，相較於圖1A所示之實施例，第二壓電環組13之第二壓電環131之第二外徑R2變得更大。

上述圖3A至圖3D之實施例說明本揭露實施例之換能器及其壓電環堆疊可依據需求而在壓電環之數量、厚度、環寬、及外徑上作調整，而當改變這些參數時，也會改變對應的傳輸電壓響應，這是由於材料的自然特性所致。因此，使用者可依據所需的傳輸電壓響應來調整本揭露實施例之壓電環堆疊之結構參數及/或配置。

另外，在一實施例中，壓電環堆疊可更包含第三壓電環組。如圖4所示，壓電環堆疊10e更包含第三壓電 環組14。第三壓電環組14設置於基座單元11上，並與第一壓電環組12及第二壓電環組13為同軸設置。第三壓電環組14包含複數第三壓電環141。第三壓電環141具有第三環寬W3、第三厚度T3、及第三外徑R3，第三環寬W3係與第二環寬W2及第一環寬W1相等，第三厚度T3係與第二厚度T2及第一厚度T1相等，而第三外徑R3係大於第二外徑R2與第一外徑R1。此外，第三壓電環組14與第二壓電環組13在Y方向上同軸設置，且在X方向上間隔設置。換言之，第三壓電環組14至少部分環繞第二壓電環組13，且二者之間具有間隙。間隙係使第三壓電環組14與第二壓電環組13彼此不接觸。在一例子中，間隙可填充絕緣膠或絕緣的間隔物。

請再參照圖1A，本揭露實施例之換能器1之固定單元20係用以將第一壓電環組12與第二壓電環組13固定於基座單元11。在本實施例中，固定單元20按壓第一壓電環組12與第二壓電環組13，以將第一壓電環組12與第二壓電環組13固定於基座單元11。固定單元20可例如包含配重件21、按壓件22、輔助組件23、軸件24及鎖固件25。配重件21設置於第一壓電環組12內，使得第一壓電環組12及第二壓電環組13設置於配重件21之周圍。本實施例之配重件21例如為圓柱形，且中間具有穿孔以供軸件24穿設。配重件21具有多種功能，例如使換能器1之重量增加或改變重心位置，藉由這些變化，可提升換能器1之效能。

按壓件22設置於第一壓電環組12及第二壓電環組13上，並具有容置空間以容置配重件21及輔助組件 23。本實施例之按壓件22例如為圓柱形。按壓件22用以按壓第一壓電環組12及第二壓電環組13。當按壓件22由金屬材料製成時，按壓件22可藉由絕緣墊(未顯示)而設置於第一壓電環組12及第二壓電環組13上，以避免金屬按壓件22接觸第一壓電環組12及第二壓電環組13。輔助組件23設置於按壓件22之一側上並位於按壓件22內。輔助組件23用以提升鎖固效能，其可例如包含彈簧片及墊片等。軸件24穿設輔助組件23及配重件21，並可插入基座單元11內，而作為換能器1之中心軸。鎖固件25設置於軸件24上。當鎖固件25鎖固時，其係使按壓件22壓緊第一壓電環組12與第二壓電環組13，並使第一壓電環組12與第二壓電環組13固定於基座單元11。上述固定單元20僅為舉例說明，非用以限制本揭露實施例，還有多種方式及結構可將第一壓電環組12與第二壓電環組13固定於基座單元11，例如凹凸配合、黏合、磁力接合、及/或焊合。

如圖1A所示，本揭露實施例之換能器1可更包含封閉蓋C。封閉蓋C接合基座單元11，以將第一壓電環組12與第二壓電環組13密封於封閉蓋C與基座單元11所形成之容置空間A。封閉蓋C可例如藉由卡合、鎖合、及/或黏合等方式而與基座單元11相互接合。

圖5為本揭露實施例之壓電環組之電性連接的示意圖，於此是以第一壓電環組12之電性連接來作說明。請參照圖5，在電性連接上，第一壓電環組12(或第二壓電環組13)可以並聯方式電性連接。舉例來說，在6個第一壓 電環121(或第二壓電環)之實施例中，相鄰2個第一壓電環121(或第二壓電環)並聯連接，如此可形成3串並聯之壓電環，再將此3串並聯之壓電環並聯連接。在驅動上，可單獨驅動第一壓電環組12或第二壓電環組13、或是同時驅動第一壓電環組12與第二壓電環組13，這可依據實際需求來作選擇。

圖6A及圖6B為本揭露實施例之換能器1之傳輸電壓響應之模擬圖，其中圖6A為驅動第一壓電環組12之模擬圖，圖6B為驅動第二壓電環組13之模擬圖。如圖6A所所示，當驅動第一壓電環組12時，在較高頻段(如圖中虛線所包含範圍，約12-20kHz)可得到較佳的傳輸電壓響應結果。如圖6B所示，當驅動第二壓電環組13時，在較低頻段(如圖中虛線所包含範圍，約4kHz)可得到較佳的傳輸電壓響應結果。因此，本揭露實施例之換能器1，當需要利用較高頻段實施底床面掃描時，可驅動第一壓電環組12，當需要利用較低頻段實施透地偵測時，可驅動第二壓電環組13。

由以上說明可知，在本揭露之換能器及其壓電環堆疊中，複數壓電環組以內圈、外圈的方式設置，因此可降低整體高度，以致換能器應用於水下探測時，可搭載於近底航測載具，而且抗流穩定性佳。此外，藉由複數壓電環組的設置，使得換能器可以達到多頻段的應用。其中，當諧振頻率拉開時，較低頻段可應用於遠距高穿透，例如透地偵測，而較高頻段可應用於近距高解析，例如底床面掃描。另外，當諧振頻率拉近時，可增加頻帶寬，以提高回波訊躁辨 別度與偵測解析度。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

1‧‧‧換能器

10‧‧‧壓電環堆疊

11‧‧‧基座單元

111‧‧‧裝設孔

12‧‧‧第一壓電環組

121‧‧‧第一壓電環

13‧‧‧第二壓電環組

131‧‧‧第二壓電環

20‧‧‧固定單元

21‧‧‧配重件

22‧‧‧按壓件

23‧‧‧輔助組件

24‧‧‧軸件

25‧‧‧鎖固件

A‧‧‧容置空間

C‧‧‧封閉蓋

R1‧‧‧第一外徑

R2‧‧‧第二外徑

T1‧‧‧第一厚度

T2‧‧‧第二厚度

W1‧‧‧第一環寬

W2‧‧‧第二環寬

Claims (9)

1. 一種換能器之壓電環堆疊，包含：一基座單元；一第一壓電環組，設置於該基座單元上，並包含複數個第一壓電環，各該些第一壓電環具有一第一外徑；以及一第二壓電環組，設置於該基座單元上，且至少部分環繞該第一壓電環組，其中該第一壓電環組與該第二壓電環組之間設有一徑向間隔，該第二壓電環組包含複數個第二壓電環，各該些第二壓電環具有一第二外徑，且該第二外徑大於該第一外徑；其中該基座單元之一側具有不等高之一第一表面與一第二表面，該第一壓電環組設置於該第一表面上，該第二壓電環組設置於該第二表面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，其中該些第一壓電環之數量不同於該些第二壓電環之數量。
3. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，其中該些第一壓電環之一者的厚度不同於該些第二壓電環之一者的厚度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，其中該些第一壓電環之一者的環寬不同於該些 第二壓電環之一者的環寬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，其中該基座單元具有一凸部或一凹部以形成該第一表面或該第二表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，其中設置於該第一表面之該第一壓電環組在高度上對齊設置於該第二表面之該第二壓電環組。
7. 如申請專利範圍第1項所述之換能器之壓電環堆疊，更包含：一第三壓電環組，設置於該基座單元上並至少部分環繞該第二壓電環組，其中該第二壓電環組與該第三壓電環組之間設有一徑向間隔，該第三壓電環組包含複數個第三壓電環，各該些第三壓電環具有一第三外徑，該第三外徑大於該第二外徑。
8. 一種換能器，包含：一壓電環堆疊，包含：一基座單元；一第一壓電環組，設置於該基座單元上，並包含複數個第一壓電環，各該些第一壓電環具有一第一外 徑；及一第二壓電環組，設置於該基座單元上，且至少部分環繞該第一壓電環組，其中該第一壓電環組與該第二壓電環組之間設有一徑向間隔，該第二壓電環組包含複數個第二壓電環，各該些第二壓電環具有一第二外徑，且該第二外徑大於該第一外徑；以及一固定單元，按壓該第一壓電環組與該第二壓電環組，且與該基座單元接合，以將該第一壓電環組與該第二壓電環組固定於該基座單元；其中該基座單元之一側具有不等高之一第一表面與一第二表面，該第一壓電環組設置於該第一表面上，該第二壓電環組設置於該第二表面上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之換能器，更包含：一封閉蓋，接合該基座單元，以將該第一壓電環組與該第二壓電環組密封於該封閉蓋與該基座單元所形成之一容置空間。

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