ES3068169T3 - Thickness mode transducer and related fabrication method - Google Patents

Abstract

Se proporcionan transductores que incluyen un bloque piezoeléctrico con una primera y una segunda superficie opuestas; una primera capa no piezoeléctrica sobre la primera superficie del bloque piezoeléctrico, compuesta de un material de baja densidad con un primer espesor; y una segunda capa no piezoeléctrica sobre la segunda superficie del bloque piezoeléctrico, compuesta de un material de alta densidad con un segundo espesor, distinto del primero y al menos el doble del primero. También se proporcionan dispositivos y métodos relacionados. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Transductores de modo de espesor y dispositivos y métodos relacionados

[0003] Campo

[0004] El presente concepto inventivo hace referencia en general a transductores y, más particularmente, a transductores de ultrasonidos y métodos y dispositivos relacionados.

[0005] Antecedentes

[0006] Los transductores de ultrasonidos incluyen preferiblemente elementos piezoeléctricos pequeños, pero de dimensiones precisas, con el fin de proporcionar un alto grado de repetibilidad entre piezas con un bajo coste de material. Los dispositivos convencionales incluyen generalmente un elemento piezoeléctrico cilíndrico con un espesor que define la frecuencia de resonancia del elemento piezoeléctrico. En estos dispositivos, el espesor del elemento puede ser, por ejemplo, de aproximadamente 7,0 mm cuando funciona a 170 kHz y de aproximadamente 3,0 mm cuando funciona a 400 kHz. Sin embargo, la fabricación de cilindros piezoeléctricos de este tamaño y forma con dimensiones precisas puede ser muy costosa, ya que las caras del cilindro se deben mecanizar después de la cocción.

[0007] Además, los dispositivos convencionales suelen proporcionar una conexión eléctrica al elemento piezoeléctrico mediante un cable soldado. Sin embargo, la soldadura puede ser poco fiable y puede provocar una mayor variabilidad entre las piezas, ya que la masa y la colocación de la soldadura no se controlan estrictamente y pueden tener un efecto significativo en el comportamiento vibratorio del transductor. A medida que disminuye el tamaño del elemento piezoeléctrico, estos problemas suelen agravarse.

[0008] El documento CN 201277871 Y describe un transductor ultrasónico para medir medios que contienen gases corrosivos. Se adopta una placa de cubierta delantera fabricada con láminas de aleación de titanio y una placa de cubierta trasera del transductor fabricada con láminas de acero de tungsteno.

[0009] El documento US 4297607 A describe un conjunto transductor ultrasónico para realizar mediciones dentro de un fluido, que incluye un transductor, un elemento de respaldo y un elemento de adaptación, todos ellos soportados dentro de una carcasa metálica cilíndrica, con la cara transmisora de la carcasa sellada con un elemento de sellado delgado formado por un material no elástico de impedancia relativamente alta que recubre una capa de acoplamiento con una impedancia acústica intermedia entre la del elemento transductor y la del fluido. El espesor del elemento de sellado está comprendido entre 1/10 y 1/1000 de una longitud de onda a la frecuencia central de la onda emitida por el transductor.

[0010] El documento US 2012/125122 Al describe un transductor que comprende una superficie de desgaste, un piezocompuesto y una línea de retardo. La superficie de desgaste se fabrica de alúmina de alta pureza con una densidad de alrededor de 3,64 g/m<3>. Para realizar las conexiones eléctricas al piezocompuesto, se sueldan cables a una lámina de plata que se une al piezocompuesto mediante epoxi de plata.

[0011] Resumen

[0012] La presente invención hace referencia a un transductor de acuerdo con la reivindicación 1. El transductor comprende un bloque piezoeléctrico con una primera y una segunda superficies opuestas, en donde el bloque piezoeléctrico es un material PZT blando seleccionado entre uno de los materiales de grado P5A y P5H; una primera capa no piezoeléctrica acoplada a la primera superficie del bloque piezoeléctrico mediante un adhesivo, incluyendo la primera capa un material de baja densidad con una densidad inferior a 4 g/cm<3>y un primer espesor; y una segunda capa no piezoeléctrica acoplada a la segunda superficie del bloque piezoeléctrico mediante un adhesivo, incluyendo la segunda capa un material de alta densidad que tiene un segundo espesor, siendo el segundo espesor al menos dos veces el primer espesor; en donde el contacto eléctrico entre el bloque piezoeléctrico y la primera y segunda capas se obtiene utilizando el adhesivo y sin un cable soldado entre el bloque piezoeléctrico y la primera y segunda capas.

[0013] En otras formas de realización, el material de baja densidad puede ser aluminio y el material de alta densidad puede ser acero o latón. La primera capa puede ser una capa delantera del transductor y puede tener un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 2,00 mm. La segunda capa puede ser una capa trasera del transductor y puede tener un espesor de entre aproximadamente 2,0 mm y aproximadamente 5,0 mm.

[0014] En otras formas de realización más del presente concepto inventivo, el bloque piezoeléctrico puede tener un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 3,00 mm.

[0015] En algunas formas de realización, la frecuencia de resonancia del transductor puede ser de aproximadamente 167 kHz y las dimensiones de la primera capa pueden ser de 7 x 7 x 1,5 mm; las dimensiones de la segunda capa pueden ser de 7 x 7 x 4 y las dimensiones del bloque piezoeléctrico pueden ser de 5 x 5 x 3.

[0016] En otras formas de realización, la frecuencia de resonancia del transductor puede ser de aproximadamente 167 kHz y las dimensiones de la primera capa pueden ser de 7 x 7 x 2 mm; las dimensiones de la segunda capa pueden ser de 7 x 7 x 5 mm y las dimensiones del bloque piezoeléctrico pueden ser de 5 x 5 x 2,39 mm.

[0017] En otras formas de realización, la frecuencia de resonancia del transductor puede ser de aproximadamente 400 kHz y las dimensiones de la primera capa pueden ser de 5 x 5 x 1 mm; las dimensiones de la segunda capa pueden ser de 5 x 5 x 2 mm y las dimensiones del bloque piezoeléctrico pueden ser de 4 x 4 x 1 mm.

[0018] En otras formas de realización, el transductor puede ser un transductor de ultrasonidos configurado para un contador de gas, un contador de agua o un contador térmico.

[0019] En otras formas de realización, el transductor puede incluir además una capa de acoplamiento acústica en una superficie de la primera capa opuesta al bloque piezoeléctrico.

[0020] La invención también hace referencia a un método de fabricación de un transductor de acuerdo con la reivindicación 9. El método comprende proporcionar un bloque piezoeléctrico que tiene una primera y una segunda superficies, en donde el bloque piezoeléctrico es un material PZT blando seleccionado entre un material de grado P5A y un material P5H, estando la primera superficie separada y opuesta a la segunda superficie; proporcionando una primera capa no piezoeléctrica que incluye un material de baja densidad con una densidad inferior a 4 g/cm<3>y que tiene un primer espesor; unir la primera capa no piezoeléctrica que incluye el material de baja densidad a la primera superficie del bloque piezoeléctrico utilizando un adhesivo; proporcionar una segunda capa no piezoeléctrica que incluye un material de alta densidad y tiene un segundo espesor, siendo el segundo espesor al menos dos veces el primer espesor; unir la segunda capa no piezoeléctrica que incluye el material de alta densidad a la segunda superficie del bloque piezoeléctrico utilizando el adhesivo para proporcionar una estructura unida en la que se obtiene el contacto eléctrico entre el bloque piezoeléctrico y la primera y segunda capas utilizando el adhesivo y sin un cable soldado entre el bloque piezoeléctrico y la primera y segunda capas; y curar la estructura unida.

[0021] En algunas formas de realización, proporcionar la primera capa puede incluir proporcionar una primera capa que comprenda aluminio y proporcionar la segunda capa puede incluir proporcionar una segunda capa que comprenda acero o latón.

[0022] En otras formas de realización, la primera capa puede ser una capa delantera del transductor y puede tener un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 2,00 mm. La segunda capa puede ser una capa trasera del transductor y puede tener un espesor de entre aproximadamente 2,0 mm y aproximadamente 5,0 mm. El bloque piezoeléctrico puede tener un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 3,00 mm.

[0023] Breve descripción de los dibujos

[0024] La figura 1 es un diagrama que ilustra un transductor de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0025] La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra las etapas de procesamiento en la fabricación de transductores de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0026] La figura 3A es una figura que ilustra transductores de baja frecuencia fabricados de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0027] La figura 3B es una figura que ilustra transductores de alta frecuencia y transductores de baja frecuencia fabricados de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0028] Las figuras 4A y 4B son diagramas que ilustran el análisis de elementos finitos del modo de oscilación de los transductores de modo de espesor de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo. La figura 5 es un gráfico que ilustra el espectro de impedancia eléctrica de un transductor de alta frecuencia de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0029] La figura 6 es un gráfico que ilustra el espectro de impedancia eléctrica de un transductor de baja frecuencia de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0030] La figura 7 es un gráfico que ilustra los resultados de las pruebas con el vibrómetro láser de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo.

[0031] La figura 8 es un diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de medidor de gas que incluye transductores de acuerdo con las formas de realización del presente concepto inventivo.

[0032] Descripción detallada

[0034] El presente concepto inventivo se describirá más detalladamente a continuación en la presente memoria con referencia a las figuras adjuntas, en las que se muestran formas de realización del concepto inventivo. Sin embargo, este concepto inventivo se puede materializar de muchas formas alternativas y no se debe interpretar como limitado a las formas de realización expuestas en la presente memoria.

[0036] En consecuencia, aunque el concepto inventivo es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, en los dibujos se muestran a modo de ejemplo formas de realización específicas del mismo, que se describirán detalladamente en la presente memoria. No obstante, se debe entender que no existe intención alguna de limitar el concepto inventivo a las formas particulares descritas, ya que la invención se define únicamente por las reivindicaciones. Los números similares hacen referencia a elementos similares a lo largo de toda la descripción de las figuras.

[0038] La terminología utilizada en la presente memoria tiene como único objetivo describir formas de realización particulares y no pretende limitar el concepto inventivo. Según se utilizan en la presente memoria, las formas singulares «un», «uno» y «el» pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá además que los términos «comprende», «comprendiendo», «incluye» y/o «incluyendo», cuando se utilizan en esta memoria descriptiva, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes indicados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos. Por otra parte, cuando se hace referencia a un elemento como «sensible» o «conectado» a otro elemento, puede ser directamente sensible o estar conectado al otro elemento, o pueden existir elementos intermedios. Por el contrario, cuando se hace referencia a un elemento como «directamente sensible» o «directamente conectado» a otro elemento, no existen elementos intermedios. Según se utiliza en la presente memoria, el término «y/o» incluye todas y cada una de las combinaciones de uno o más de los elementos asociados enumerados y puede abreviarse como «/».

[0040] A menos que se defina lo contrario, todos los términos (incluidos los términos técnicos y científicos) utilizados en la presente memoria tienen el mismo significado que el que comúnmente entiende un experto en la técnica a la que pertenece este concepto inventivo. Se entenderá además que los términos utilizados en la presente memoria se deben interpretar con un significado coherente con su significado en el contexto de esta memoria descriptiva y la técnica pertinente, y no se interpretarán en un sentido idealizado o excesivamente formal, a menos que se defina expresamente en la presente memoria.

[0042] Se entenderá que, aunque los términos «primero», «segundo», etc., se pueden utilizar en la presente memoria para describir diversos elementos, estos elementos no se deben limitar a dichos términos. Estos términos solo se utilizan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento se podría denominar segundo elemento y, de manera similar, un segundo elemento se podría denominar primer elemento sin apartarse de las enseñanzas de la descripción. Aunque algunos de los diagramas incluyen flechas en las rutas de comunicación para mostrar una dirección principal de comunicación, se debe entender que la comunicación se puede producir en la dirección opuesta a las flechas representadas.

[0044] Como se ha descrito en los antecedentes del concepto inventivo, los elementos piezoeléctricos cilíndricos convencionales pueden ser caros de fabricar y la soldadura de las conexiones eléctricas puede proporcionar un rendimiento deficiente del transductor. Se puede utilizar una sierra de corte para solucionar la difícil y costosa fabricación de un elemento piezoeléctrico cilíndrico. La sierra de corte se puede utilizar para crear un elemento piezoeléctrico cuboide en lugar de un elemento piezoeléctrico cilíndrico, lo que puede ser una forma rentable de crear una pieza con dimensiones precisas. Sin embargo, esto requiere generalmente un espesor inferior a aproximadamente 2,5 mm. Como resultado, existe la necesidad de un diseño de transductor en el que las dimensiones del elemento piezoeléctrico sean lo suficientemente pequeñas como para fabricarse de forma rentable cortando una tesela piezoeléctrica con una sierra de corte de obleas.

[0046] En consecuencia, algunas formas de realización del presente concepto inventivo proporcionan un transductor ultrasónico de modo de espesor fabricado utilizando un volumen reducido de material piezoeléctrico para reducir los costes de fabricación. El elemento piezoeléctrico puede ser circular o, preferiblemente, de forma cuboide para permitir una fabricación precisa utilizando una sierra de corte de obleas. Se pueden utilizar capas o piezas adicionales no piezoeléctricas para reducir el espesor del material piezoeléctrico dada una frecuencia de funcionamiento objetivo y para aumentar el área de transmisión acústica, según se describirá más adelante con respecto a las figuras 1 a 8.

[0047] En primer lugar, se describirá un transductor 100 de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo, haciendo referencia a la figura 1. Según se ilustra en la misma, el transductor 100 incluye una capa delantera no piezoeléctrica 110, un bloque piezoeléctrico 120 y una capa trasera no piezoeléctrica 130. En algunas formas de realización del presente concepto inventivo, la capa delantera 110 puede incluir un material de baja densidad, por ejemplo, aluminio, y la capa trasera 130 puede incluir un material de alta densidad, por ejemplo, acero inoxidable y latón. Según se utiliza en la presente memoria, el término «material de baja densidad» hace referencia a un material que tiene una densidad inferior a 4 g/cm<3>. Del mismo modo, el término «metal de alta densidad» hace referencia a un metal con una densidad superior a 6 g/cm<3>. Aunque las formas de realización del presente concepto inventivo se describen con capas delantera y trasera metálicas, las formas de realización del presente concepto inventivo no se limitan a esta configuración. Cualquier material no piezoeléctrico adecuado para las formas de realización descritas en la presente memoria se puede utilizar para las capas delantera y trasera sin apartarse del alcance del presente concepto inventivo.

[0049] El transductor 100 puede emitir ultrasonidos a través de la cara delantera (material de baja densidad). Los materiales piezoeléctricos son PZT, grados P5A o P5H •

[0051] Como se comprenderá, las dimensiones de la capa delantera 110, el bloque piezoeléctrico 120 y la capa trasera 130 del transductor 100 pueden variar en función de la funcionalidad deseada de los mismos; por ejemplo, el espesor del elemento piezoeléctrico puede corresponder a su frecuencia de resonancia. Según se ilustra en la figura 1, la capa delantera 110 tiene un espesor Ti, la capa trasera 130 tiene un espesor T2 y el bloque piezoeléctrico 120 tiene un espesor T3. En algunas formas de realización, el espesor T2 de la capa trasera 130 puede ser al menos dos veces el espesor Ti de la capa delantera. Las capas delantera y trasera 110 y 130, respectivamente, añaden masa y espesor al dispositivo, lo que a su vez permite reducir el espesor de la capa piezoeléctrica,es decir,se puede reducir el volumen de la capa piezoeléctrica.

[0053] La Tabla 1 que se muestra a continuación incluye algunos ejemplos de dimensiones basadas en la funcionalidad deseada (diseño). Los valores que se ilustran a continuación en la Tabla 1 se proporcionan solo a modo de ejemplo y las formas de realización del presente concepto inventivo no se limitan a esta configuración.

[0056]

[0059] Con referencia ahora a la figura 2, se analizará un diagrama de flujo que ilustra las etapas de procesamiento en la fabricación de transductores de ejemplo de acuerdo con diversas formas de realización del presente concepto inventivo. Las operaciones comienzan en el bloque 200 con el suministro de un elemento piezoeléctrico. Se entenderá que el elemento piezoeléctrico puede ser fabricado u obtenido de terceros. Los materiales piezoeléctricos son PZT blando, grados P5A o P5H.

[0061] Los bloques de 5 x 5 mm, tanto de 3,0 mm como de 2,39 mm de espesor, se obtuvieron de Morgan Electroceramics (Reino Unido) para transductores de baja frecuencia, por ejemplo, 167 kHz; y las placas piezoeléctricas más grandes (1,0 mm de espesor) se obtuvieron de PI Ceramic (Alemania). Si los elementos piezoeléctricos se obtienen de un tercero, se puede determinar si el elemento piezoeléctrico tiene el tamaño requerido (bloque 210). Si se determina que el elemento piezoeléctrico no tiene el tamaño requerido (bloque 210), el elemento piezoeléctrico se puede modificar al tamaño adecuado (bloque 215). Por ejemplo, las placas de 1,0 mm de espesor pueden cortarse internamente en bloques de 4 x 4 mm para transductores de alta frecuencia, por ejemplo, 400 kHz. Si se determina que el elemento piezoeléctrico tiene el tamaño requerido (bloque 210), las operaciones continúan en el bloque 220 con la fabricación de las capas delantera y trasera del transductor. En algunas formas de realización, las capas trasera y delantera de acero y aluminio, respectivamente, se pueden mecanizar a partir de un sólido.

[0063] Una vez completados los tres elementos, el elemento piezoeléctrico y las capas trasera y delantera, estas últimas se unen al elemento piezoeléctrico (bloque 230). Para proporcionar una conexión eléctrica, en lugar de un cable soldado, el elemento piezoeléctrico y las capas trasera y delantera se unen mediante un adhesivo, por ejemplo, una resina epoxi de dos componentes. En un ejemplo no incluido en la redacción de las reivindicaciones, se puede utilizar una resina epoxi Epotek 353 NDT suministrada por Epoxy Technology, Inc. A continuación, la estructura unida se puede curar (bloque 240) bajo calor y presión en una cámara, por ejemplo, una plantilla de alineación mecánica. La cantidad de adhesivo aplicado y las condiciones del proceso proporcionan contacto eléctrico entre los electrodos piezoeléctricos y los bloques metálicos delantero y trasero, lo que permite realizar la conexión eléctrica a las piezas metálicas y evita la necesidad de un contacto soldado con el elemento piezoeléctrico.

[0065] Las figuras 3A y 3B son figuras que ilustran transductores fabricados de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo. La figura 3A ilustra transductores de baja frecuencia y la figura 3B ilustra transductores de alta y baja frecuencia. Como se desprende claramente de la figura 3B, los transductores de alta frecuencia son más pequeños que los transductores de baja frecuencia.

[0066] Con referencia ahora a las figuras 4A y 4B, se comentarán los diagramas que ilustran el desplazamiento axial de un transductor de modo de espesor de 400 kHz de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo. Las diversas capas sombreadas de las figuras 4A y 4B representan la capa posterior (acero), la capa anterior (aluminio) y el elemento piezoeléctrico (1 mm) situado entre ellas. La simulación se llevó a cabo en transductores de modo de espesor de 400 kHz utilizando una aproximación axisimétrica de la geometría. Los distintos tonos indican el desplazamiento axial en dos puntos de la oscilación con una diferencia de fase de 180°. La capa delantera de aluminio oscila con mayor velocidad que la capa trasera de acero. En particular, en la figura 4A, la capa delantera de aluminio y la capa trasera de acero se comprimen (-) hacia el centro, donde el material piezoeléctrico (etiquetado) también se comprime (-). Del mismo modo, cuando hay una diferencia de fase de 180 grados, el material piezoeléctrico (etiquetado) se expande (+) hacia arriba, al igual que las capas de aluminio y acero.

[0067] Se probaron transductores de acuerdo con diversas formas de realización del presente concepto inventivo para ilustrar su rendimiento mejorado. En particular, los transductores se montaron utilizando dos pares de sondas de resorte (RS Stock No.261-5092) en contacto con los bordes de la capa delantera de aluminio y la capa trasera de acero inoxidable, para proporcionar contacto mecánico y eléctrico. Se midió la impedancia eléctrica en el rango de frecuencias de 1,0 a 500 kHz utilizando un analizador de impedancia eléctrica (4294A Precision Impedance Analyser, Agilent). Los resultados de la prueba de espectros de impedancia se ilustran en las figuras 5 y 6. En particular, la figura 5 ilustra los resultados en un transductor de alta frecuencia y la figura 6 ilustra los resultados en un transductor de baja frecuencia. Las resonancias del transductor se pueden identificar por los mínimos en el módulo de impedancia IZI. En las formas de realización que proporcionan un transductor de alta frecuencia, la figura 5 ilustra un mínimo de impedancia a 399 kHz, que corresponde al modo de funcionamiento previsto. En las formas de realización que proporcionan un transductor de baja frecuencia, la figura 6 ilustra un mínimo de impedancia a 181 kHz, que corresponde al modo de funcionamiento previsto.

[0068] En pruebas adicionales, se midió la respuesta de velocidad del transductor a una ráfaga de onda sinusoidal de 10 Vpp y 16 ciclos utilizando un vibrómetro láser de un solo punto (cabezal vibrómetro OFV-505 con controlador OFV-5000, Polytec GmbH). Los resultados de la prueba con el vibrómetro láser se ilustran en la figura 7. En la figura 7, la traza superior ilustra la señal de accionamiento y la traza inferior ilustra la salida del vibrómetro (1000 mm/s/V). La amplitud de vibración del transductor aumenta durante la ráfaga de accionamiento, alcanzando una velocidad pico-pico de 188 mm/s al final de la ráfaga de accionamiento. La presión de salida acústica es proporcional a la velocidad de la cara delantera.

[0069] Los transductores de acuerdo con algunas formas de realización del presente concepto inventivo pueden incluir una capa de acoplamiento acústica. Las capas de adaptación acústica se utilizan para mejorar la eficiencia de la transmisión acústica entre un elemento acústico de alta impedancia acústica (PZT, impedanciaZ1) y un medio de baja impedancia acústica (gas, impedanciaZ3).La impedancia acústica de un material se define como el producto de la densidad y la velocidad del sonido.

[0070] En el caso de una sola capa de acoplamiento, la impedancia acústica ideal de la capa de acoplamiento,Z2,es la media geométrica de las impedancias acústicas del transductor y del gas:

[0071] Z<2>= √ Z<1>Z<3>Ecuación (1)

[0074]

[0077] TABLA 2

[0078] Esto suele requerir una capa de acoplamiento compuesta por un material sólido con una velocidad del sonido muy baja y una densidad reducida. Sin embargo, en general, los materiales adecuados no se encuentran en la naturaleza y se deben fabricar mediante procesos de fabricación especiales. Por ejemplo, en el transductor Sensus actual se utilizan suspensiones de microesferas de vidrio huecas en resina epoxi, en la patente U.S. n.º 4.523.122 se describen capas de acoplamiento que utilizan microesferas de vidrio y resina, y en la patente U.S. n.º 6.989.625 se describe una capa de acoplamiento que utiliza un material de gel seco.

[0079] En algunas formas de realización, la capa de acoplamiento acústica puede incluir, por ejemplo, polietersulfona, polipropileno, PTFE, PVDF, nailon, poliamida, PMMA, copolímero vinílico/acrílico, éster de celulosa, acetato de celulosa, nitrocelulosa y similares.

[0080] Como se ha descrito brevemente antes con respecto a las figuras 1 a 7, algunas formas de realización proporcionan un transductor ultrasónico que utiliza un elemento piezoeléctrico pequeño pero de dimensiones precisas, con el fin de proporcionar un alto grado de repetibilidad entre piezas con bajos costes de material. El elemento piezoeléctrico se hace pequeño proporcionando capas delantera y trasera no piezoeléctricas para aumentar el espesor total de la estructura.

[0081] Los transductores de acuerdo con las formas de realización descritas en la presente memoria se pueden utilizar en cualquier dispositivo que se preste a dicho transductor. Por ejemplo, estos transductores se pueden utilizar en contadores de agua, contadores de gas, contadores de calor y similares. A modo de ejemplo, los transductores se pueden utilizar en contadores de gas, según se ilustra en la figura 8. Según se ilustra en la misma, el contador de gas 800 incluye tres transductores. El transductor 1 (aguas arriba) y el transductor 2 (aguas abajo) se pueden utilizar para medir el tiempo de vuelo de una señal ultrasónica a lo largo del tubo de flujo 810 en direcciones hacia adelante y hacia atrás.

[0082] El medidor de gas 800 también se puede configurar para compensar las propiedades y condiciones del gas utilizando una medición de sonido separada con el transductor 3.

[0083] Se entenderá que la figura 8 se proporciona solo a modo de ejemplo. Los transductores descritos en la presente memoria se pueden utilizar en muchos dispositivos diferentes.

[0084] Las formas de realización de ejemplo se describen anteriormente con referencia a diagramas de bloques y/o ilustraciones de diagramas de flujo de sistemas y dispositivos. Las funciones/acciones indicadas en los bloques se pueden producir fuera del orden indicado en los diagramas de flujo. Por ejemplo, dos bloques que se muestran en sucesión pueden, de hecho, ejecutarse, en esencia, al mismo tiempo o los bloques se pueden ejecutar a veces en orden inverso, dependiendo de la funcionalidad/acciones involucradas. Por otra parte, la funcionalidad de un bloque determinado de los diagramas de flujo y/o diagramas de bloques se puede dividir en varios bloques y/o la funcionalidad de dos o más bloques de los diagramas de flujo y/o diagramas de bloques se puede integrar al menos parcialmente. En los dibujos y la memoria descriptiva se han descrito formas de realización de ejemplo del concepto inventivo. Sin embargo, se pueden realizar muchas variaciones y modificaciones a estas formas de realización sin apartarse, en esencia, de los principios del presente concepto inventivo. En consecuencia, aunque se utilizan términos específicos, estos se emplean únicamente en un sentido genérico y descriptivo y no con fines restrictivos, ya que el alcance del concepto inventivo viene definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

1. Un transductor (100) que comprende:

Un bloque piezoeléctrico (120) que tiene una primera y una segunda superficies opuestas, en donde el bloque piezoeléctrico es un material PZT blando seleccionado entre uno de los materiales de grado P5A y P5H;

una primera capa no piezoeléctrica (110) acoplada a la primera superficie del bloque piezoeléctrico (120) mediante un adhesivo, incluyendo la primera capa (110) un material de baja densidad con una densidad inferior a 4 g/cm<3>y un primer espesor; y

una segunda capa no piezoeléctrica (130) acoplada a la segunda superficie del bloque piezoeléctrico (120) mediante un adhesivo, incluyendo la segunda capa (130) un material de alta densidad que tiene un segundo espesor, siendo el segundo espesor al menos dos veces el primer espesor;

en donde el contacto eléctrico entre el bloque piezoeléctrico (120) y la primera y segunda capas (110, 130) se obtiene utilizando el adhesivo y sin un cable soldado entre el bloque piezoeléctrico (120) y la primera y segunda capas (110, 130).

2. El transductor (100) de la reivindicación 1:

en donde el material de baja densidad comprende aluminio; y en donde el material de alta densidad comprende acero o latón.

3. El transductor de la reivindicación 2:

en donde la primera capa (110) es una capa delantera del transductor (100) y tiene un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 2,00 mm; y

en donde la segunda capa (130) es una capa trasera del transductor (100) y tiene un espesor de entre aproximadamente 2,0 mm y aproximadamente 5,0 mm.

4. El transductor (100) de la reivindicación 1, en donde el bloque piezoeléctrico (120) tiene un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 3,00 mm.

5. El transductor (100) de la reivindicación 1, en donde la frecuencia de resonancia del transductor (100) es de aproximadamente 167 kHz y las dimensiones de la primera capa (110) son 7 x 7 x 1,5 mm; las dimensiones de la segunda capa (130) son 7 x 7 x 4; y las dimensiones del bloque piezoeléctrico (120) son 5 x 5 x 3, o en donde una frecuencia resonante del transductor (100) es de aproximadamente 167 kHz y las dimensiones de la primera capa (110) son 7 x 7 x 2 mm; las dimensiones de la segunda capa (130) son 7 x 7 x 5 mm; y las dimensiones del bloque piezoeléctrico (120) son 5 x 5 x 2,39 mm.

6. El transductor (100) de la reivindicación 1, en donde la frecuencia de resonancia del transductor (100) es de aproximadamente 400 kHz y las dimensiones de la primera capa (110) son 5 x 5 x 1 mm; las dimensiones de la segunda capa (130) son 5 x 5 x 2 mm; y las dimensiones del bloque piezoeléctrico (120) son 4 x 4 x 1 mm.

7. El transductor (100) de la reivindicación 1, en donde el transductor (100) es un transductor de ultrasonidos configurado para uno de un medidor de gas, un medidor de agua y un medidor de calor.

8. El transductor (100) de la reivindicación 1, que comprende además una capa de acoplamiento acústica en una superficie de la primera capa (110) opuesta al bloque piezoeléctrico (120).

9 Método de fabricación de un transductor (100), que comprende:

proporcionar un bloque piezoeléctrico (120) que tiene una primera y una segunda superficies, en donde el bloque piezoeléctrico es un material PZT blando seleccionado entre un material de grado P5A y un material P5H, estando la primera superficie separada y opuesta a la segunda superficie;

proporcionar una primera capa no piezoeléctrica (110) que incluye un material de baja densidad con una densidad inferior a 4 g/cm3 y que tiene un primer espesor;

unir la primera capa no piezoeléctrica (110) que incluye el material de baja densidad a una primera superficie del bloque piezoeléctrico (120) utilizando un adhesivo;

proporcionar una segunda capa no piezoeléctrica (130) que incluye un material de alta densidad y tiene un segundo espesor, siendo el segundo espesor al menos dos veces el primer espesor;

unir la segunda capa no piezoeléctrica (130) que incluye el material de alta densidad a una segunda superficie del bloque piezoeléctrico (120) utilizando el adhesivo para proporcionar una estructura unida en donde el contacto eléctrico entre el bloque piezoeléctrico (120) y la primera y segunda capa (110, 130) se obtiene utilizando el adhesivo y sin un cable soldado entre el bloque piezoeléctrico (120) y la primera y segunda capas (110, 130); y

curar la estructura unida.

10. El método de la reivindicación 9:

en donde proporcionar la primera capa (110) comprende proporcionar una primera capa (110) que comprende aluminio;

y

en donde proporcionar la segunda capa (130) comprende proporcionar una segunda capa (130) que comprende acero o latón.

11. El método de la reivindicación 10:

en donde la primera capa (110) es una capa delantera del transductor (100) y tiene un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 2,00 mm;

en donde la segunda capa (130) es una capa trasera del transductor (100) y tiene un espesor de entre aproximadamente 2,0 mm y aproximadamente 5,0 mm; y

en donde el bloque piezoeléctrico (120) tiene un espesor de entre aproximadamente 1,00 mm y aproximadamente 3,00 mm.