专利名称：超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声换能器，具有一个顶端质量，一个末端质量、一个振动质量和两个可弹性变形的形变元件，其中，在顶端质量和末端质量之间备有一个刚性的连接构件，振动质量设在顶端质量和末端质量之间，一个形变元件设在顶端质量和振动质量之间，一个形变元件设在末端质量和振动质量之间并且形变元件中的至少一个被一个产生超声振动的或接收超声振动的换能器元件构成。譬如EP 0 209 238A2公开了一种这样的超声换能器。
以往的、包括EP 0 209 238 A2公开的超声换能器的工作原理一般是基于，超声换能器的尺寸至少沿一个空间方向发生变化。这可以譬如是超声换能器的长度变化。在作为超声接收器的情况下，该长度变化通过所接收的超声振动被发生。在作为超声发生器的情况下，在超声换能器中备有一个产生超声振动的换能器元件，该换能器元件造成超声换能器的相应的长度变化。这种超声发生器一般是借助一个振荡的控制电压受到控制，使超声发生器完成一种与该振荡的、一般为正弦形的控制电压成比例的、机械振动。由电的控制信号至机械振动的相应转换经由一在前面提及的换能器元件完成，该换能器元件譬如被一个压电元件构成。而现有技术还公开了其它的换能器元件，譬如那些借助基于应用磁力的装置把振荡的、电的控制信号转换成机械振动的换能器元件。
在作为超声发生器的情况下被超声换能器产生的超声振动或者在作为超声接收器的情况下被超声换能器接收的超声振动被超声换能器发送到另一个物体上或者被该另一物体接收，其具体的做法在于，超声换能器是与该物体固定连接的。为此，超声换能器可譬如是与该物体焊接的或是与该物体螺纹连接的。不过，也不一定非要让超声换能器直接固定在超声振动应被馈入其内的、或者超声振动应被其接收的该物体上。就是说，可规定与该物体有间距的超声换能器，其中，在超声换能器和该物体之间则需要有一个以一个超声波导体为表现形式的连接构件。
如前所述，以往的超声换能器的工作原理建筑在如下基础上，即在工作过程中，这些超声换能器的长度发生变化。而在这种超声换能器固定在一个超声波应被馈入其内的、或者超声波应被其接收的物体上的情况下，通过固定，超声换能器的机械性能和声学性能发生变化。就是说，通过超声换能器在该物体上的机械固定，有时引起强烈的阻尼效应和衰减效应，使超声换能器的振动性能发生巨大的变化。为了仍然能把超声换能器有效地固定在一个物体上，因此，往往需采取耗资很大的谐振匹配和/或阻抗匹配措施。而这一般意味着提高成本费用并且在每次重新安装这种超声换能器时需耗费很长时间。
因此，本发明的任务在于提供一种这样的超声换能器，该超声换能器的振动性能通过该超声换能器在一个外部的物体上的安置不受到影响，使谐振匹配要求和/或阻抗匹配要求得以避免。
本发明的、用以解决以上任务的超声换能器的特征在于，相对于顶端质量和末端质量，振动质量可进行自由地跟随由换能器元件所产生或者接收的超声振动的振动。
为了能使振动质量的振动自由地跟随由换能器元件产生或者接收的超声振动，要求没有与振动质量的自由振动相反的力作用在振动质量上。据此，特别是在振动质量为一方和末端质量及顶端质量为另一方之间不得存在刚性的连接。这还产生如下结果，即基于振动质量的跟随超声振动的振动，总体上不产生超声换能器的长度变化。超声换能器的这种总体长度变化肯定会相当于顶端质量相对于末端质量的相向运动或者背离运动。而通过振动质量为一方和顶端质量及末端质量为另一方之间的只经由形变元件的耦合，基于振动质量进行的振动，没有会导致顶端质量相对于末端质量的相对运动的力能被作用到顶端质量或末端质量上，据此，也不造成超声换能器的长度变化。
现采用了概念“顶端质量”和“末端质量”，但这不意味着，这些构件必须是“特别重的”质量。就是说，特别是就顶端质量和末端质量而言，它们均是一块简单的板，板的质量只须如此之大，即该板的在材料和所选择的形状的条件下以该质量所产生的稳定性足以理想地使用超声换能器。其中，就材料、形状和/或本身的质量，即重量而言，末端质量和顶端质量可以是相同的，也就是，在不会影响到发明的原理的情况下，末端质量和顶端质量也可以是不同的。具体说，通过作为末端质量或者顶端质量的相互不同结构的构件，超声换能器的特殊的、适应各不相同的要求的振动性能可被达到。
为了把本发明的超声换能器固定在一个超声振动应被馈入其中的或者超声振动应被其接收的物体上，可以有不同的布置。超声换能器可以是譬如借助顶端质量机械地固定在该物体上的。超声振动则经过顶端质量被馈入该物体中或者经过顶端质量被该物体接收。但是，顶端质量也可以由物体本身构成，该物体内馈入了由超声换能器产生的振动，或者接收借助超声换能器待接收的超声振动。据此，在尚未固定在该物体上的超声换能器中似乎去掉了顶端质量，使超声换能器的最终装配通过没有顶端质量的超声换能器在该物体上的安置才算完成，该物体随后自身起到顶端质量的功能。最后的一种可能性在于，经由振动质量把超声振动馈入该物体中或者被该物体接收。为此，超声换能器借助振动质量被固定在该物体上，而顶端质量和末端质量不与该物体连接。据此，在工作中，振动质量相对于该物体保持固定，而顶端质量和末端质量相对于该物体进行振动。
原则上，可以完全没有应力地设置由被形变元件包围的振动质量、顶端质量和末端质量构成的系统。而发明的一个优选的实施形式规定，被形变元件包围的振动质量是预紧地夹持在顶端质量和末端质量之间的。具体地说，即可规定，顶端质量和末端质量之间的刚性连接由一个杆构成，沿超声换能器的纵向看，该杆是最好设置在中央的。顶端质量和末端质量则可借助该杆预紧地相互连接，使设置在顶端质量和末端质量之间的、被形变元件包围的振动质量也是预紧地被夹持的。顶端质量与末端质量的这种连接及相应的预紧借助现有技术，譬如EP 0 209 238 A2所公开的装置实现。
如按照发明所要求的那样，振动质量可自由地振动，在备有一个上述的、使顶端质量与末端质量相连的杆的情况下，实现振动质量的自由振动的有利措施在于，振动质量不与该杆固定连接。而其中，振动质量与该杆的接触是可能的，该接触相当于在振动质量振动时的滑动接触并从而基本上为振动质量起到导向作用。然而，除了在该导向时出现的、小的摩擦力之外，通过连接杆，没有其它的力作用到振动质量上。为此，按照发明的一个优选实施形式，规定该杆不与振动质量相连地穿过一个在振动质量中最好是中央设置的孔。据此，如果在振动质量中设置的孔的直径只是稍大于杆的直径，则杆的导向功能问题也可得以解决。
如前所述，要求形变元件中的至少一个形变元件是一个可用其产生超声振动的或者超声振动可被其接收的元件。一个这样的形变元件是一个所谓的活性元件，而第二个形变元件可以是一个所谓的惰性元件，该惰性元件恰好没有产生或者接收超声振动的功能，但可被动地跟随超声振动并从而使振动质量的按发明所要求的、相对于顶端质量和末端质量的自由振动成为可能。然而，按照本发明的一个优选实施形式，规定两个分别设在振动质量的相对侧部的形变元件由产生超声振动的或者接收超声振动的换能器元件构成，即为活性元件。
据此，譬如本发明的超声换能器的对称性能及效率均得到改善。如果超声换能器是一个超声发生器，则在备有两个活性元件作为形变元件的情况下，按照本发明的一个优选实施形式，规定产生超声振动的换能器元件是可如此地得到控制的，即在一个换能器元件缩短时，另一个换能器元件同时被延长，其延长量等于前者的缩短量。据此，振动质量的按发明所要求的、相对于周围，特别是相对于顶端质量和末端质量的自由振动简单地得以保障。因此，振动质量根据超声振动只在超声换能器之内往复运动，而通过振动质量的该振动运动，顶端质量和末端质量就其相互的间距而言则保持不变，就是说，顶端质量和末端质量相互间不进行会导致超声换能器的总体上的长度变化的相对运动。
作为换能器元件，实际上可采用所有的可在现有技术中被用作超声换能器换能元件的元件。而按照发明的一个优选的实施形式，规定产生超声振动的或者接收超声振动的换能器元件由压电元件构成，其中，一个优选的实施形式规定，在振动质量的一侧上备有的压电元件的极性与在振动质量的另一侧上备有的压电元件的极性相反。就此而言，须指出的是，上面提及的压电元件也可是由多个单一元件组合成的。其中，压电元件譬如由压电陶瓷组成。
如果在振动质量的一侧上的压电元件的极性与在振动质量的另一侧上的压电元件的极性相反，则按照发明的一个优选的实施形式，规定有一个控制电子系统，其中，两个产生超声振动的换能器元件被同一个被控制电子系统产生的控制信号控制。据此，可最佳地确保在振动质量的相对两侧上备有的换能器元件的长度变化相互精确地相当，并且无需对控制信号进行换极。
如前所述，本发明的超声换能器是可以仅有一个振动质量。但有这样的应用场合，在这些应用场合中，采用多个振动质量是有利的。具体说据此可简单地提高超声换能器的效率。如果规定有多个振动质量，则超声换能器的基本结构保持不变，就是说，本发明的超声换能器仍是由相互刚性连接的顶端质量和末端质量界定的，并且在顶端质量和末端质量之间规定有相互交替设置的振动质量和形变元件。其中，为了使具有多个振动质量的超声换能器有效地起作用，最好每个振动质量至少在一侧上具有一个活性元件作为换能器元件，即具有一个产生超声振动的或者接收超声振动的换能器元件。
最后，按照本发明的一个优选的实施形式，在一个具有多个振动质量的超声换能器中可规定，在两个振动质量之间备有一个固定质量，该固定质量的固定方式在于，与振动质量不同，该固定质量不能自由地跟随超声振动。为此，一个这样的固定质量与顶端质量和末端质量之间有利地具有一个机械固定的、即一个基本上刚性的连接构件，据此，一个这样的超声换能器实际上被分成多个超声换能器，这些超声换能器分别具有至少一个振动质量。显而易见的是，按照本发明的一个优选的实施形式，也可备有多个固定质量。
本发明的超声换能器在各种不同的技术领域中有多种多样的应用可能性并且特别是可用于那些上述的、传统的采用超声换能器的应用场合。而根据其特殊的振动技术方面的性能，本发明的超声换能器特别适用于超声流量计，即特别适用于超声流量测量方法。
具体地说，现有很多实施本发明的超声换能器的可能性。为此，参见从属的权利要求及下面借助附图对本发明的优选实施例进行的详细说明。附图所示为
图1a本发明的第一个优选实施例中的一个超声换能器的截面图，图1b～1d本发明的第一个优选实施例中的在图1a中所示的超声换能器的工作原理示意图，图2本发明的第二个优选实施例中的一个超声换能器的截面图及该超声换能器的控制装置，图3本发明的第二个优选实施例中的超声换能器在一个物体上的固定情况，图4本发明的第二个优选实施例中的超声换能器在一个物体上的替代固定状况，图5本发明的第三个优选实施例中的一个超声换能器的截面图及该超声换能器在一个物体上的固定状况，图6本发明的第四个优选实施例中的一个超声换能器的截面图，图7本发明的第一个优选实施例中的超声换能器在一个棒形的超声波导体上的安置截面图，图8a本发明的第五个优选实施例中的一个具有多个振动质量的一个超声换能器的截面图，图8b本发明的第六个优选实施例中的一个具有多个振动质量及一个固定质量的超声换能器的截面图。
从图1a中可看到发明的第一个优选实施例中的一个超声换能器的截面图。该超声换能器具有一个顶端质量1和一个末端质量2，该顶端质量1和末端质量2沿纵向界定超声换能器。在顶端质量1和末端质量2之间的中央备有一个振动质量3。在顶端质量1和振动质量3之间以及在末端质量2和振动质量3之间分别设有一个产生超声振动的或者接收超声振动的换能器元件4。换能器元件4是压电元件，其中，分别由两个具有相反极性的压电元件构成一个换能器元件4。在位于顶端质量1和振动质量3之间的换能器元件4中，压电元件以其正极性的面相互贴靠，而在位于末端质量2和振动质量3之间的换能器元件4中，压电元件以其负极性的面相互贴靠。据此，在用同一控制信号进行控制时，使一个换能器元件4按预先确定的量伸长并使其中的另一个换能器元件4缩短，其缩短量相当于前者的预先确定的伸长量。
波形的箭头表示，超声振动可经由超声换能器的顶端质量1发出，譬如如图3所示，发出到一个物体5中。总体上，超声换能器被一个固定在顶端质量1和末端质量2中的杆6保持并据此在顶端质量1和末端质量2之间形成刚性的连接。此外，借助该杆6在超声换能器中实现预紧，使被换能器元件4包围的振动质量3预紧地夹持在顶端质量1和末端质量2之间。如前所述，顶端质量1和末端质量2也是借助杆6预紧地相互连接的。沿超声换能器的纵向看，杆6设在超声换能器的中心并且在不与振动质量3接触的情况下穿过在振动质量3的中心备有的孔7。换能器元件4也不与居中穿过振动质量3的杆6直接接触。据此，振动质量3可相对于顶端质量1和末端质量2进行自由的振动，就是说，可自由地跟随由换能器元件4产生的或者被换能器元件4接收的超声振动。其中，没有会导致顶端质量1的相对于末端质量2的相对运动的力作用到超声换能器的顶端质量1和/或末端质量2上，使超声换能器的由顶端质量1至末端质量2的间距确定的总长度在超声换能器的工作中保持恒定。据此，如前所述，在把超声换能器安置到一个超声振动应被馈入其内的或者超声振动应被其接收的物体5上时的谐振匹配要求和/或阻抗匹配要求得以避免。
从图1b至1d中可看到本发明的第一个优选实施例中的在图1a中示出的超声换能器的工作原理示意图。图1b示出了一种状况，在该状况下，超声换能器没被加载，即不产生或不接收超声振动。而且，图1b所示的状况也相当于振动质量在超声换能器的工作过程中通过其平衡位置时的瞬时摄影。如图1c和1d所示，超声换能器的工作是基于，振动质量3在顶端质量1和末端质量2之间往复振动，其中，可看出，基于振动质量3经由换能器元件4与顶端质量1或者末端质量2的弹性耦合，完成振动质量3的位置变化的平衡，据此，基于振动质量3的振动，没有会导致超声换能器的长度在整体上发生变化的力被传递到顶端质量1或者末端质量2上。
图2示意地示出了发明的第二个优选实施例中的一个超声换能器的控制装置。该超声换能器在振动质量3的两侧上具有其极性相反的换能器元件4。相应地，借助一个由一个控制电子系统8产生的控制信号如此地完成对换能器4的控制，即该控制信号被加到两个换能器元件4的正极上。换能器元件4的负极是分别接地的。由于两个位于振动质量4的两侧上的换能器元件4为相同的结构，所以可达到如下结果，即在上述控制下，在其中的一个换能器元件4缩短的同时，其中的另一个与上述换能器元件4面对的换能器元件4有所加长，其加长量相当于前者的缩短量。通过借助同一控制信号进行的控制，两个换能器元件4也绝对同相地振动，总体上，使振动质量3在顶端质量1和末端质量2之间的自由振动得以实现，同时，通过该自由振动，又没有会导致顶端质量1相对于末端质量2的相对运动的力被作用到顶端质量1或者末端质量2上。据此，相应地，超声换能器的通过顶端质量1与末端质量2的间距确定的总长度在超声换能器的工作过程中保持恒定。
图3示出了本发明的在图2中所示的第二优选实施例中的超声换能器在一个物体5上的固定状况，由超声换能器产生的超声振动应被馈入物体5中。超声换能器在物体5上的刚性固定是如此实现的，即杆6的相当于顶端质量1的一端突出于本来的超声换能器并且在杆6的突出于超声换能器的部分上有外螺纹9。杆6是借助该外螺纹9拧入一个在物体5中的螺纹孔10中的，在装配好超声换能器的情况下，由顶端质量1、末端质量2、振动质量3及换能器元件4组成的整个装置预紧地固定在物体5上。虽然在图3中只示意地示出了超声振动由超声换能器过渡到物体5中的状况，但接收来自物体5的超声波当然也是可能的。
图4示出了本发明的第二个优选实施例中的超声换能器在物体5上的一个替代固定形式。在该替代固定形式中，超声换能器不是借助顶端质量1，而是借助振动质量3固定在物体5上。为此，在物体5中备有一个凹槽11，超声换能器是被装入在该凹槽11中的，使振动质量3至少部分地以其外壁与物体5接触并在该接触部位通过焊接固定在物体5上。另一可能的，但不是图4所示的替代固定形式在于，借助一个在振动质量3的外壁上加工出的外螺纹使超声换能器拧入一个相应的、在物体5中的内螺纹并借助防松螺母锁定该螺纹连接，使该螺纹连接在工作过程中不会松开。其中，物体5中的凹槽11的尺寸使得在超声换能器的工作过程中，位于凹槽11之内的顶端质量1不与物体5接触。在该替代的固定形式中，振动质量3也是自由地相对于顶端质量1及相对于末端质量2振动。实际上，振动质量3自然是固定在物体5上的，据此，从物体5之外看，是顶端质量1和末端质量2相对于物体5振动。
按照本发明的第三个优选实施例，本发明的第二个优选实施例中的超声换能器有以下变化，即本来的超声换能器本身不再具有顶端质量1。就其它而言，如图5所示，超声换能器的结构相同并按此方式固定在物体5上。顶端质量1的功能则由物体5的质量承担。据此，省去了顶端质量1，但是，仅部分地制成的超声换能器在物体5上的装配变得费事些。
图6示出了本发明的第四个优选实施例中的超声换能器，在该超声换能器中，顶端质量1具有基本上为截锥形的形状，就其与该优选的实施例的关系而言，须指出的是，本发明的超声换能器的功能和原理与顶端质量1的形状和大小基本上无关。相应地，顶端质量1可以是与为了发明的超声换能器的应用而提出的相应要求相适配的。譬如，发明的第五个优选的实施例中的超声换能器固定在一个超声波导体12上。该结构可以使距超声振动应被馈入其内的或者超声振动应被其接收的物体5有间距地安置超声换能器，在物体5本身对超声换能器的工作而言是过热的或者过冷的条件下，采用这种结构是必要的。
最后，图8a和8b示出了本发明的第五个和第六个优选的实施例中的超声换能器，这两个超声换能器分别具有多个振动质量3。在第五个优选的实施例中的超声换能器中，备有三个振动质量，据此，与只有一个振动质量的、其它结构相同的超声换能器相比，该超声换能器的效率提高约两倍。在发明的第六个优选的实施例中的超声换能器中，在中央备有一个固定质量13，该固定质量13与杆6固定地接触并从而与顶端质量1及末端质量2刚性地连接。在固定质量13和顶端质量1之间及在固定质量13和末端质量2之间分别设有一个振动质量3，据此，发明的第六个优选的实施例中的超声换能器基本上相当于两个串列的、分别只有一个振动质量的超声换能器。
权利要求
1.超声换能器，具有一个顶端质量(1)、一个末端质量(2)、一个振动质量(3)和两个可弹性变形的形变元件，其中，在顶端质量(1)和末端质量(2)之间备有一个刚性的连接构件，振动质量(3)设在顶端质量(1)和末端质量(2)之间，一个形变元件设在顶端质量(1)和振动质量(3)之间，一个形变元件设在末端质量(2)和振动质量(3)之间并且形变元件中的至少一个由产生超声振动的或接收超声振动的换能器元件(4)构成，其特征在于，相对于顶端质量(1)和末端质量(2)，振动质量(3)可进行自由地跟随由换能器元件(4)产生的或者接收的超声振动的振动。
2.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，顶端质量(1)由一个物体(5)构成，由超声换能器产生的超声振动应被馈入到物体(5)中或者借助超声换能器待接收的超声振动应被物体(5)接收。
3.按照权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于，被形变元件包围的振动质量(3)是预紧地夹持在顶端质量(1)和末端质量(2)之间的。
4.按照权利要求1至3之一所述的超声换能器，其特征在于，顶端质量(1)和末端质量(2)之间的刚性连接构件由一个—最好居中设置的—杆(6)构成。
5.按照权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，顶端质量(1)和末端质量(2)是借助杆(6)预紧地相互连接的。
6.按照权利要求4或5所述的超声换能器，其特征在于，振动质量(3)是不与杆(6)连接的。
7.按照权利要求4至6之一所述的超声换能器，其特征在于，杆(6)在不与振动质量(3)连接的情况下穿过一个在振动质量(3)中—最好居中设置—的孔(7)。
8.按照权利要求1至7之一所述的超声换能器，其特征在于，两个分别位于振动质量(3)的相对侧上的形变元件由产生超声振动的或者接收超声振动的换能器元件(4)构成。
9.按照权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，产生超声振动的换能器元件(4)可受到控制，使得在其中的一个换能器元件(4)有所缩短的同时，其中的另一个换能器元件(4)有所加长，其加长量相当于前者的缩短量，反之亦然。
10.按照权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，产生或者接收超声振动的换能器元件(4)由压电元件构成，其中，在振动质量(3)的一侧上的压电元件的极性与在振动质量(3)的另一侧上的压电元件的极性相反。
11.按照权利要求1至10之一所述的超声换能器，其特征在于，备有一个控制电子系统(8)，并且两个产生超声振动的换能器元件(4)借助同一由控制电子系统(8)产生的控制信号受到控制。
12.按照权利要求1至11之一所述的超声换能器，其特征在于，备有多个振动质量(3)。
13.按照权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，在两个振动质量(3)之间有一个固定质量(13)，该固定质量(13)是这样固定的，使得固定质量(13)不可自由地跟随超声振动。
14.按照权利要求13所述的超声换能器，其特征在于，固定质量(13)是与顶端质量(1)和末端质量(2)刚性连接的。
15.按照权利要求13或14所述的超声换能器，其特征在于，备有多个固定质量(13)。
16.权利要求1至15之一所述的超声换能器的应用，用于超声流量计和/或超声流量测量方法。
全文摘要
一种超声换能器,有一个顶端质量、一个末端质量、一个振动质量和两个可弹性变形的形变元件,其中,在顶端质量和末端质量之间有一个刚性的连接构件,振动质量设在顶端质量和末端质量之间,一个形变元件设在顶端质量和振动质量之间,一个形变元件设在末端质量和振动质量之间,并且形变元件中的至少一个由一个产生超声振动的或接收超声振动的换能器元件构成。
文档编号B06B1/00GK1346047SQ0012887
公开日2002年4月24日 申请日期2000年9月22日 优先权日2000年9月22日
发明者M·普罗基克 申请人:克洛纳测量技术公司