专利名称：采用多个频率的换能器的超声波处理方法和设备的制作方法
相关申请本申请要求2003年11月5日提交、由J.Michael Goodson和Sebastian K.Thottathel发明、名称为ULTRASONIC PROCESSING METHOD ANDAPPARATUS WITH MULTIPLE FREQUENCY TRANSDUCERS的美国临时申请No.60/517,501的优先权。这里特别结合该临时申请作为参考。
背景技术：
发明领域本发明一般涉及包括两个或更多压电换能器的超声波清洗和液体处理方法和设备以及其它应用，尤其涉及通过使用多个频率的超声波能量来提高性能。
现有技术超声波器件用于各种处理，包括清洗、乳化和分散液体介质中的成分或部件，以及其它的应用例如金属焊接、塑料连接和引线接合。所有这些器件和处理都利用超声波换能器向液体或固体介质提供超声波频率的声波。
在液体介质中清洗部件是超声波的一种常见的应用。用超声波清洗是使用超声波产生和分散液体介质中的空泡内爆(cavitationimplosion)。释放的能量穿透深处到达裂缝、盲孔和其它清洗方法无法达到的区域。
超声波是通过用电子振荡器(典型地称为电源或发生器)产生的高频、高压电流驱动超声换能器而形成的压力波。典型的工业高功率发生器产生从20到300kHz或者更高的范围内的超声波频率。超声波换能器典型地包括压电(PZT)器件，该压电器件受到发生器提供的振荡驱动信号时膨胀或者收缩。该换能器一般安装在清洗容器在底部和/或侧面，或者浸没在液体中。产生的超声波垂直扩散到共振表面。该波和液体介质互相作用产生空泡内爆。高强度超声波在液体介质中产生微小蒸汽/真空气泡，该微小蒸汽/真空气泡与施加的超声波频率成正比地增大，直到最大尺寸，然后爆炸，释放它们的能量。频率越高，空泡尺寸越小。
邻近表面的内爆释放的能量碰撞、破碎和分解污染物，使得清洁剂或清洗溶剂可以置换它。内爆还产生使碎片离开表面的动态压力波。在液体介质中上百万个连续的微小内爆的累积效果提供必要的机械能，打破物理接合的污染物，加速化学接合污染物的水解，并增加离子污染物的溶解。
通常，在低频下(20-30kHz)，产生相对少量具有更大尺寸和更多能量的空泡。在高频下，形成具有中等或更低能量的密度大得多的空泡。低频更适合清洗重而大尺寸的成分，而高频(60-80kHz)超声波适合清洗复杂表面和漂洗步骤。
在一些应用中，组合使用在不同频率下工作的多个换能器是有利的。例如，参见美国专利6,019,852和英国专利1,488,252。这些专利公开了具有两个不同频率换能器的矩形格子的清洗设备，这两个换能器由两个电源或发生器分别驱动。
发明内容
本发明的一个方面是具有向充满液体的容器提供超声波能量的至少两个不同共振频率的多个换能器的超声波处理设备和方法，该容器含有要用超声波清洗或处理的成分。该换能器优选是层叠结构并且沿着该容器底部的壁或者侧面的壁上的对角线布置成等边三角形的图案，因而每个换能器具有不同频率的相邻换能器。
本发明的第二个方面是具有一个或多个杆式换能器(推挽式或单推式(single-push type))的超声波处理设备和方法，该杆式换能器具有安装在一端或者两端并且安装在容纳要超声波清洗或处理的成分、装满液体的容器中的超声波转换器(converter)或换能器。该杆式换能器具有不同的共振频率，因而该设备给该容器提供不同频率超声波能量的混合。
本发明的第三个方面是具有为不同共振频率的多个换能器或压电晶体和发生器或电源，该发生器或电源驱动在包括该不同共振频率的整个频率范围内工作的换能器或压电晶体。优选地，该换能器或压电晶体成对，并且共振频率具有至少最小的差异。换句话说，在发生器提供的驱动信号的频率范围内，具有预定的子区域，在该子区域中，没有换能器和压电晶体具有共振频率。
本发明的这些方面单独或者组合地提供更好性能的超声波清洗和液体处理方法和设备。
说明书中所述的特点和优点没有包括所有内容，特别地，对于本领域技术人员来说，根据附图、说明书及其权利要求，许多附加的特点和优点将更加显而易见。另外，请注意，说明书中使用的语言主要选择用于可读性和指导性的目的，而不是选择用于描绘或限制发明主题，必须采用权利要求来确定这种发明主题。例如，在说明书中使用术语换能器、转换器和压电晶体来指响应电驱动信号产生超声波振动的器件。而且，术语共振频率包括换能器或压电晶体的基本谐振频率，还包括更高阶的谐频。
图1是根据本发明一个实施例在容器壁上的两种超声波换能器的布置的示图；图2是根据本发明另一个实施例在容器壁上的三种超声波换能器的布置的示图；图3是根据本发明另一个实施例的两种超声波换能器和中心排水口的布置的示图；图4是根据本发明另一个实施例的三种超声波换能器和中心排水口的布置的示图；图5是根据本发明另一个实施例在容器壁上的两种杆式换能器的布置的示图；图6是关于本发明实施例的频率范围的示图。
具体实施例方式
附图仅仅是为了说明而描述本发明的各种优选实施例。本领域技术人员从以下的讨论可以认识到，可以在不脱离这里描述的本发明原理的情况下采用这里所述结构和方法的替换实施例。
图1-4所示本发明的第一个方面包括两种或者三种不同工作或共振频率的多个换能器，该换能器向含有要超声波清洗的部件、充满液体的容器提供超声波能量。该换能器优选是层叠结构，并且沿着该容器底部或侧面的壁上的对角线布置成等边三角形的图案。
图1示出换能器的一种布置。该示图是用于超声波清洗或其它超声波液体处理的容器或罐体的底部的壁12，但是这种布置还可以用于容器的一个或多个侧面的壁。具有不同工作或共振频率的两种或者两组换能器14(用阴影圆表示)和16(用空心圆表示)沿着对角线10布置成等边三角形。每个换能器在形成等边三角形的位置上至少具有两个相邻换能器，并且那些相邻换能器中的至少一个具有不同的频率。每根对角线10具有相同类型的换能器，14或16。这种布置为换能器提供高效的封装密度(packing density)，这两种类型相等地散布在该容器的底部。该容器或罐体由陶瓷、金属、金属合金、玻璃、石英、硼硅酸玻璃(Pyrex)、塑料或其它适当的非渗透(non-porous)材料制成。排水口18设置在底部壁12的中心。换能器14和16可以在容器下面安装到容器底部的外表面，或者可以粘附于可浸没的放射性表面或板上并且放置在容器中，或者安装到粘附于该容器底部的换能器板上。频率优选在10kHz到3000kHz的范围内。优选地，每种频率的换能器数量相等。在这个实施例中，总共有24个换能器，每种频率有12个。
图2示出换能器的另一种布置。具有不同工作或共振频率的三种或者三组换能器14(用阴影圆表示)、16(用空心圆表示)和20(用半阴影圆表示)沿着对角线24布置成等边三角形。每个等边三角形具有三个相关的换能器14、16和20，每种一个。相同类型的换能器彼此不相邻，因为它们被其它类型的换能器隔开。这种布置为换能器提供高效的封装密度，这三种换能器类型散布在该容器的底部。每个换能器具有至少两个不同频率的相邻换能器。优选地，每种频率的换能器数量相等，在这个实施例中，每种换能器14、16和20有8个。
图3示出换能器的第三种布置，该布置和图1相似，但是排水口22在中心，并且总共有32个换能器14和16，每种频率16个。
图4示出三种类型换能器14、16和20的另一种布置。该布置类似于图2所示的布置，但是排水口22在中心，并且总共有36个换能器，每种频率12个。
优选地选择换能器的不同工作或共振频率，使得最小频率不破坏被清洗的部件，并且较高或者最高频率最优地除去更小的颗粒或者冲洗掉被低频松开的碎片。优选所有的每种换能器由分开的发生器17或19(图1)驱动，该发生器17或19提供那些换能器共振频率的驱动信号。可选择地，所有换能器可以由一个发生器驱动，该发生器从一个频率切换到另一个频率，或者扫描包括换能器共振频率的整个频率范围。
本发明的第二个方面包括具有安装在一端或者两端的超声波转换器的多个杆式换能器(推挽式或单推式)。图5示出安装在容器壁内部的四个推挽式杆式换能器26和28。杆式换能器26和28可以水平安装在容器底部的壁上，或者垂直或水平地安装在容器一个或多个侧面的壁上。杆式换能器26或28浸没在含有要超声波清洗或处理的成分或部件、充满液体的容器中。优选地，杆式换能器26和28具有不同的共振频率，因而该设备向容器中的液体提供不同频率的超声波能量。该棒由金属、玻璃、陶瓷、石英或其它适当的材料制成。例如，钛结构使得可以使用大范围的清洗介质，包括CFC溶剂、碳氢化合物、碱性水溶液、中性水溶液和一些酸性水溶液。该杆式换能器26和28由向换能器提供超声波频率驱动信号的发生器29驱动。该发生器可以向具有不同共振频率的杆式换能器提供不同频率的驱动信号，或者提供一个扫描或变换频率驱动信号，其包括杆式换能器的所有共振频率。
杆式换能器26和28还称为推挽式或单推式换能器，具有安装在一端或两端的端部帽中的超声波转换器30和32。具有不同共振频率的两种或者更多种杆式换能器被用于产生更好的清洗或液体处理方法。可选择地，通过间歇地或者同时地切换驱动信号的频率而由同一换能器提供两种或更多种频率。
利用一个推挽式换能器获得多个频率的另一种方法是以一种频率驱动在一端的一个转换器，而以不同的频率驱动在另一端的另一个转换器。优选地，选择杆式换能器中所使用的棒的尺寸，使得它们在所需的多个频率下共振。例如，如果一个频率的半波长是5英寸，另一个频率的半波长是7英寸，那么35英寸的棒就在这两个频率下都共振。从一个推挽式换能器获得多个频率的另一种方法是将一个频率设置为另一个频率的整数倍。
通过确定用于多个共振频率的杆式换能器的尺寸和使用在两个频率之间交替的交替驱动信号，也可以由单推式杆式换能器获得多个频率。
本发明的第三个方面包括在一个频率范围内扫描施加给换能器的驱动信号。本发明的这个方面可以应用于在单个换能器中的多个压电(PZT)晶体或者同一系统中使用的多个换能器。在任何一种情况下，压电晶体或换能器被选择成具有不同的共振频率，其至少相差一个最小量。
例如，假设扫描频率范围是39-41kHz，最小差别(differential)是在该范围中心的.5kHz。也就是说，每对换能器或压电晶体中有一个的共振频率在39和39.75kHz之间，另一个的共振频率在40.25和41kHz之间。该例子中的换能器和压电晶体都没有共振频率在排除在外的子区域39.75-40.25kHz内。
图6示出本发明的这个方面。发生器扫描的整个频率范围是频率范围34，不包括换能器共振频率的、排除在外的子区域是频率子区域36。每个换能器或压电晶体的共振频率用X38表示。排除在外的子区域36中没有X(共振频率)。排除在外的子区域36的边界限定了换能器或压电晶体共振频率的最小差别。优选地，排除在外的子区域36在发生器扫描的整个频率范围34的10％和25％之间。
根据本发明的第三个方面，按照所需的差别制造压电晶体或换能器，而且只使用符合预定标准的那些压电晶体或换能器。可以通过测试换能器或压电晶体确定共振频率，并根据测试结果选择它们。
本发明的这个方面应用于超声波清洗或液体处理工艺，其中根据该应用来选择预定的共振频率差别(排除在外的子区域)和扫描频率范围。该发明的这个方面还可以应用于金属焊接、塑料连接、引线接合和/或使用超声波的其它医疗或制造过程。而且，本发明的这个方面可以以等边三角形布置层叠的不同频率的换能器的形式来使用，或者以不同频率的推挽式或单推式换能器的形式来使用，如上所述。
从上面的说明可以看出，这里公开的本发明提供了新颖和有利的超声波处理设备和方法，使用不同频率的多个换能器向含有要超声波清洗或处理的成分、充满液体的容器提供超声波能量。前面的讨论仅仅公开和描述本发明的典型方法和实施例。本领域技术人员可以理解，本发明可以在不脱离其精神或实质特征的情况下实现为其它特定的形式。因此，本发明的公开是要说明、而不是限制本发明的发明，本发明的范围在随后的权利要求中限定。
权利要求
1.一种超声波处理设备，包括可用于容纳液体的容器；耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的多个超声波换能器，其中第一组换能器具有第一共振频率，第二组换能器具有不同于第一共振频率的第二共振频率，并且其中该换能器沿着对角线布置成等边三角形的图案，因而每个换能器具有至少两个相邻的换能器，并且至少一个相邻换能器具有不同的共振频率；和用于向这些换能器提供驱动信号的发生器装置。
2.权利要求1所述的设备，其中该发生器装置包括耦合到每组换能器的发生器，其中每个发生器以其相关换能器组的共振频率提供驱动信号。
3.一种超声波处理设备，包括可用于容纳液体的容器；耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的多个超声波换能器，其中第一组换能器具有第一共振频率，其中第二组换能器具有不同于第一共振频率的第二共振频率，其中第三组换能器具有不同于第一和第二共振频率的第三共振频率，并且其中该换能器沿着对角线布置成等边三角形的图案，因而每个换能器具有至少两个具有不同共振频率的相邻换能器；和用于向这些换能器提供驱动信号的发生器装置。
4.权利要求3所述的设备，其中该发生器装置包括耦合到每组换能器的发生器，其中每个发生器以其相关换能器组的共振频率提供驱动信号。
5.一种超声波处理设备，包括可用于容纳液体的容器；耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的多个超声波杆式换能器，其中第一组杆式换能器具有第一共振频率，第二组杆式换能器具有不同于第一共振频率的第二共振频率；和用于向这些换能器提供驱动信号的发生器装置。
6.一种超声波处理设备，包括可用于容纳液体的容器；耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的至少一个超声波杆式换能器，其中每个杆式换能器具有位于杆的每端的超声波转换器，其中在每个杆式换能器上的两个超声波转换器具有不同的共振频率，和其中该杆式换能器在两个共振频率下都共振；和用于向这些换能器提供驱动信号的发生器，其中该发生器向每个杆上的一个超声波转换器提供第一频率的一个驱动信号，向每个杆上的另一个超声波转换器提供第二频率的另一个驱动信号。
7.一种超声波处理设备，包括可用于容纳液体的容器；耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的多个超声波杆式换能器，其中每个杆式换能器具有位于杆的一端的超声波转换器，和其中该杆式换能器具有多个共振频率；和用于向该换能器提供驱动信号的发生器，其中该驱动信号在第一频率和第二频率之间交替，和其中两个频率都导致该杆式换能器共振。
8.一种超声波处理设备，包括可用于提供超声波能量的多个超声波器件，其中第一组超声波器件具有第一共振频率，第二组超声波器件具有不同于第一共振频率的第二共振频率，并且其中在第一和第二共振频率之间存在一个排除在外的子区域，在该排除在外的子区域中，没有超声波器件具有共振频率；和用于向这些超声波器件提供驱动信号的发生器，其中该驱动信号的频率在包括该排除在外的子区域和超声波器件共振频率的整个范围内变化。
9.权利要求8所述的设备，其中该排除在外的子区域在驱动信号频率范围的10％和25％之间。
10.权利要求8所述的设备，其中该超声波器件是压电晶体。
11.权利要求8所述的设备，其中该超声波器件是换能器。
12.权利要求11所述的设备，还包括可用于容纳液体的容器，其中多个超声波换能器耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量，和其中该换能器沿着对角线布置成等边三角形的图案，因而每个换能器具有至少两个相邻的换能器，并且至少一个相邻换能器具有不同的共振频率。
13.权利要求11所述的设备，还包括可用于容纳液体的容器，和其中该换能器包括具有第一共振频率的第一组换能器、具有不同于第一共振频率的第二共振频率的第二组换能器以及具有不同于第一和第二共振频率的第三共振频率的第三组换能器，其中该换能器耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量，和其中该换能器沿着对角线布置成等边三角形的图案，因而每个换能器具有至少两个具有不同共振频率的相邻换能器。
14.权利要求11所述的设备，还包括可用于容纳液体的容器，其中该换能器是耦合到该容器的杆式换能器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量。
15.权利要求11所述的设备，还包括可用于容纳液体的容器，其中该换能器是耦合到该容器并可用于向该容器中的液体提供超声波能量的杆式换能器，其中每个杆式换能器具有位于杆的每端的超声波转换器，其中在每个杆式换能器上的两个超声波转换器具有不同的共振频率，和其中该杆式换能器在两个共振频率下都共振。
16.一种超声波处理方法，包括以下步骤设置可用于提供超声波能量的多个超声波器件，其中第一组超声波器件具有第一共振频率，第二组超声波器件具有不同于第一共振频率的第二共振频率，并且其中在第一和第二共振频率之间存在一个排除在外的子区域，在该排除在外的子区域中，没有超声波器件具有共振频率；和向该超声波器件提供驱动信号，其中该驱动信号的频率在包括排除在外的子区域和超声波器件共振频率的整个范围内变化。
17.权利要求16所述的方法，其中该排除在外的子区域在驱动信号频率范围的10％和25％之间。
全文摘要
一种超声波处理设备和方法，包括向装满液体的容器提供超声波能量的至少两个不同共振频率的多个换能器，该容器容纳要用超声波清洗或者处理的成分。该换能器沿着该容器壁上的对角线布置成等边三角形，因而每个换能器具有不同频率的相邻换能器。可选择地，该设备包括具有不同共振频率的一个或多个杆式换能器，因而该设备给容器提供各种频率超声波能量的混合。本发明的另一个方面包括选择具有在排除在外的子区域之外的不同共振频率的换能器，并且通过扫过换能器共振频率和排除在外的子区域的驱动信号来驱动该换能器。
文档编号H01L41/09GK101084586SQ200480032735
公开日2007年12月5日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月5日
发明者M·J·古德森 申请人:顶峰集团有限公司