具有匹配的轉換器和安裝板的兆聲波多頻裝置的制造方法
【專利說明】具有匹配的轉換器和安裝板的兆聲波多頻裝置
[0001]分案申請
本申請為分案申請。原申請的申請?zhí)枮?01080061384.8，申請日為2010年11月10日，發(fā)明名稱為“具有匹配的轉換器和安裝板的兆聲波多頻裝置”。
技術領域
[0002]本發(fā)明總體上涉及兆聲波處理裝置以及涉及兩個或更多個以厚度模式在至少300KHZ或更高的不同兆聲波頻率下操作的壓電轉換器的相關方法，并且更具體地涉及通過將多頻轉換器的基礎共振或更高水平諧波頻率與所述轉換器安裝于其上的板或其他安裝結構的基礎共振或更高水平諧波頻率進行匹配來改進性能。
【背景技術】
[0003]兆聲波處理涉及生成和使用高于300KHZ的頻率下的高頻能量。許多兆聲波系統(tǒng)在ΙΟΟΟΚΗζ (1MHz)或接近ΙΟΟΟΚΗζ (1MHz)的頻率下操作。雖然對許多應用而言1MHz是一致認定的優(yōu)選頻率，但頻率范圍會變得更高，所述頻率可高達10MHz。兆聲波系統(tǒng)的典型應用包括清潔易碎物體，例如半導體晶片和磁盤驅動介質。這種兆聲波清潔過程涉及將待清潔物體放置在充滿流體的箱體中，并且施加兆聲波頻率下的振動能量至箱體的一個或多個輻射表面。一個或多個壓電轉換器(PZT)用于生成振動能量。PZT被結合或以其他方式附接至板或箱體而無需外部壓力或壓縮。振蕩器供應交流電驅動信號至轉換器。兆聲波轉換器以厚度模式操作，其中壓電元件通過導致轉換器的交替膨脹和收縮一主要是轉換器的厚度的膨脹和收縮的交流電驅動信號被激勵。具有0.080英寸厚度的壓電轉換器具有ΙΟΟΟΚΗζ的基礎厚度模式共振頻率。較薄的ΡΖΤ將具有厚度模式下的較高共振頻率，而較厚的ΡΖΤ將具有厚度模式下的較低共振頻率。已為人們所知的是，如我的美國專利7598654中闡述的，遍及整個頻率范圍掃描驅動頻率，從而改進高頻率能量的分布和均勻性。
[0004]兆聲波處理在比超聲波處理更高的頻率下發(fā)生，超聲波處理涉及通常在25ΚΗζ至40ΚΗζ范圍內的基礎頻率以及大約300ΚΗζ的最高水平的向上諧波。超聲波轉換器通常是質量平衡的，在壓電元件的兩側上具有慣性質量，并且具有與厚度成直角的明顯的徑向移動分量。ΡΖΤ是中心切除的圓形環(huán)，并且它們的頻率由內徑與外徑的關系決定。超聲波轉換器的一個常見構造是，在兩個質量塊之間堆疊一個或多個環(huán)形壓電元件，并且通過軸向壓縮螺栓將該組件保持到一起。壓縮徑向ΡΖΤ會增加其振動振幅，這與厚度模式ΡΖΤ發(fā)生的情況正好相反。超聲波清潔基于氣穴現象，該現象是流體中的氣泡的形成和破碎。
[0005]在用于兆聲波清潔的頻率下，不會發(fā)生明顯的氣穴現象，從而所述清潔作用基于稱為微流動的另一種機理，所述微流動是分離的顆粒從兆聲波轉換器流開的總體流動。這種流動包括在安裝了轉換器的表面處起源的平面波。如果轉換器安裝在箱體的底部上，那么平面波沿著豎直方向向上移動。這些微流動的平面特性影響兆聲波能量在整個箱體中的分布。在兆聲波轉換器之間的反向空點或間隙之間具有很小或沒有活性。使分布最大化的一種方式是用轉換器覆蓋箱體表面區(qū)域的很高百分比(例如80-90%)。另一個但效率不高的方式是使待處理部件在更個箱體中振蕩或移動，使得所有表面暴露至足夠高的兆聲波能量。
[0006]已為人們所知的是，如在例如美國專利6019852中示出的，在超聲波裝置中使用不同頻率的多個轉換器。該專利公開了將較低頻率轉換器安裝到比較高頻率轉換器更厚的板上，從而抵抗由所述較低頻率轉換器導致的過度腐蝕。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明涉及一種具有以厚度模式在至少300KHZ的基礎共振頻率下操作的兩個壓電轉換器(PZT)的兆聲波處理裝置。第一和第二轉換器具有對應且不同的第一和第二操作頻率。為了安裝轉換器而設置了安裝板。在第一轉換器的位置處，安裝板具有第一厚度并且具有大體上等于第一操作頻率的基礎共振或諧波頻率。在第二轉換器的位置處，安裝板具有第二厚度并且具有大體上等于第二操作頻率的基礎共振或諧波頻率。所述裝置還包括容納液體以及一個或多個待處理部件的箱體。所述安裝板操作性地聯接至箱體，以便轉換器提供振動至箱體以及其容納物。所述裝置還包括聯接至轉換器以便在第一和第二操作頻率下供應驅動信號的一個或多個振蕩器。
[0008]所述安裝板具有匹配至轉換器的操作頻率的共振頻率。在本發(fā)明的一個實施方式中，所有轉換器都具有大體上相同的尺寸，但是某些轉換器在基礎共振頻率下操作而其他轉換器在第三諧波頻率下操作。所述安裝板具有均勻厚度并且具有大體上等于轉換器的基礎共振頻率的基礎共振頻率，并且還具有大體上等于轉換器的第三諧波頻率的第三諧波頻率。例如，轉換器具有大約470KHz的基礎共振頻率以及大約1560KHZ的第三諧波頻率。因此，安裝板具有大約470KHz的基礎共振頻率以及大約1560KHZ的第三諧波頻率，從而匹配轉換器。
[0009]所述實施方式具有如下優(yōu)點:安裝板具有均勻厚度并且第三諧波轉換器與基礎共振頻率轉換器的尺寸相同。備選地，較高頻率轉換器可基于在其基礎共振頻率而非較高等級的諧波頻率下被驅動的較薄的PZT。例如，0.23英寸厚的PZT將具有470KHZ的基礎共振頻率以及1560KHZ的第三諧波頻率，而所述PZT的厚度將必須降低至大約0.05英寸以獲得1560KHZ的基礎共振頻率。在其第三諧波頻率下操作的較厚的PZT比在其基礎共振頻率下操作的較薄的PZT更耐用并且更抗破裂變形。
[0010]優(yōu)選地，具有多個第一轉換器(在基礎共振頻率下操作)以及多個第二轉換器(在第三諧波頻率下操作)并且它們以交替順序布置在安裝板上。轉換器以厚度模式操作并且優(yōu)選地是長度橫越安裝板的一個尺寸延伸的長矩形。
[0011]在其他實施方式中，所述安裝板具有非均勻厚度。例如，安裝板可以不匹配轉換器的基礎和諧波頻率。安裝板和轉換器的基礎共振頻率可能匹配，而第三諧波頻率不匹配。在這種情況中，安裝板的厚度在第二轉換器的安裝位置處被調節(jié)，使得第三諧波頻率被匹配。備選地，安裝板和轉換器的第三諧波頻率可以匹配，但基礎共振頻率不匹配。為了匹配基礎共振頻率，安裝板的厚度在第一轉換器的安裝位置處被調節(jié)。
[0012]在另一個實施方式中，所述安裝板具有不同厚度，該厚度選定為使得其基礎共振頻率匹配對應的第一和第二轉換器的操作頻率。轉換器的安裝位置處的安裝板的厚度被選定為允許該安裝板在轉換器的操作頻率下以其基礎共振模式來共振。安裝板的厚度在較高頻率轉換器的位置將更薄。可通過機加工較厚的板以去除過量材料來得到較高頻率轉換器的位置處的安裝板的減小的厚度。備選地，所述板可以具有匹配轉換器的較高操作頻率的基礎共振頻率的薄板開始，并且可增加額外材料來使厚度增加至匹配較低操作頻率的基礎共振頻率所需的厚度。另一個備選方案是在樣式設置成得到安裝板的期望厚度的鑄?；蚰＞咧心＞哞T造或模制安裝板。模具鑄造或模制過程可使用鋁或其他金屬。粉末金屬可用作制造安裝板的材料。優(yōu)選地，具有多個在基礎共振頻率下操作的第一轉換器以及多個在不同的基礎共振頻率下操作的第二轉換器。這些轉換器以交替順序布置在安裝板上。轉換器以厚度模式操作并且優(yōu)選地是長度橫越安裝板的一個尺寸延伸的長矩形。
[0013]在又一個實施方式中，設置了具有在頻率范圍內的多個不同操作頻率的多個轉換器的陣列。可以從最低到最高操作頻率的順序或另外以其他非順序布局來布置轉換器。該實施方式將與包括運輸機構的箱體一起使用，運輸機構將待處理部件從箱體的一端運送至另一端，由此使它們經受由轉換器發(fā)出的所有各種頻率。
[0014]說明書中描述的特征和優(yōu)點并不是窮盡性的，更具體地說，所屬領域技術人員在考慮本申請的附圖、說明書以及權利要求書之后將清楚許多額外的特征和優(yōu)點。此外，應當指出，說明書中使用的語言原則上選定為用于易讀性和解說目的，并且可能不是選定為描繪或界定本發(fā)明的主題，要確定本發(fā)明的主題則需要求助于權利要求書。
【附圖說明】
[0015]圖1是根據本發(fā)明的兆聲波多頻處理系統(tǒng)的總立體圖。
[0016]圖2是本發(fā)明的兆聲波多頻處理系統(tǒng)中使用的箱體的頂部立體圖。
[0017]圖3是箱體的底部立體圖。
[0018]圖4是箱體的側視圖。
[0019]圖5是箱體的仰視圖。
[0020]圖6是兆聲波多頻處理系統(tǒng)的示意圖以及箱體和附接到其上的兆聲波轉換器的剖視圖，所述兆聲波轉換器具有供應驅動信號至轉換器從而在所述箱體內的液體中形成兆聲波振動的振蕩器。
[0021]圖7是本發(fā)明的一個實施方式中使用的驅動信號的頻率與時間的圖表。
[0022]圖8(a)和8(b)是作為傳播穿過金屬安裝板的超