專利名稱：廣角超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波發(fā)射或接收換能器，主要應(yīng)用于需要廣闊的發(fā)射或接收角，在超聲波發(fā)射或反射裝置所代表的動點與超聲波接收器所代表的靜點之間進行信號傳遞的場合，如使用一個超聲波發(fā)射或反射器和多個分布安裝且位置已知的接收器，通過測量代表標(biāo)的物發(fā)射或反射器與各個接收器之間的距離，來確定標(biāo)的物位置的檢測裝置之中，特別是應(yīng)用于多媒體計算機利用超聲波多點測距實現(xiàn)定位的觸摸式輸入設(shè)備上。
現(xiàn)有一般的信號用平面振動模式的超聲波換能器的有效工作角，即發(fā)射或接收角都是有限的，在超聲波的頻率較高時更是如此，這是由波的性質(zhì)所決定的，因此應(yīng)用在上述分布安裝有多個接收換能器的測距定位系統(tǒng)中，由于接收器安裝在發(fā)射或反射器的周圍，代表標(biāo)的物的發(fā)射或反射器的位置是在隨時變化的，這就要求接收器具有很寬廣的接收角；而對于發(fā)射器，則要求有接近或等于360°的發(fā)射角。這對于上述的超聲波換能器來講是難以實現(xiàn)的。這是因為如果要在某個區(qū)域內(nèi)，或者某個平面內(nèi)得到寬廣的工作角，換能器的尺寸與所工作的波長相比就要盡量小，但這由導(dǎo)致了發(fā)射的功率不足或接收的靈敏度降低，使其有效的工作距離縮短。因此，為了實現(xiàn)上述的應(yīng)用，通常采用以下的技術(shù)來實現(xiàn)1.使用多個換能器組合成為一個廣角換能器；2.使用筒形換能器實現(xiàn)平面上的廣角工作，見申請?zhí)枮?8101325.2和98101663.4的中國專利。但這兩種方案都有不足之處。首先，使用組合的方法用于超聲波發(fā)射器，會因為超聲波的干涉現(xiàn)象而使聲場不均勻，產(chǎn)生許多個峰谷點，使得接收器的接收效果不穩(wěn)定；同時，這種結(jié)構(gòu)要求每個發(fā)射換能器的特性相近，安裝位置嚴格，整體的構(gòu)造也復(fù)雜，生產(chǎn)成本高；其次，對于筒形的換能器，雖然聲場很均勻，但是由于不容易安裝增加輻射阻抗的諧振結(jié)構(gòu)，而使其特性靈敏度下降，并且對于頻率較低的應(yīng)用，換能器的直徑又不能很小，或者附加了諧振結(jié)構(gòu)后導(dǎo)致直徑或體積過大而難于實用。
本發(fā)明的目的就在于針對上述用途的超聲波換能器的缺點，提供了一種新的結(jié)構(gòu)方案，在換能器的體積增加很小的情況下，實現(xiàn)超聲波在360°的廣角上均勻地發(fā)射或接收。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如下在一般平面振動模式的超聲波發(fā)射或接收換能器工作面的軸線方向上，安裝一個尖端指向換能器的工作面，即發(fā)射或者接收面的錐形旋轉(zhuǎn)體，或簡稱為反射錐；這個反射錐是圓錐體、球體、橢球體、拋物線旋轉(zhuǎn)體、雙曲線旋轉(zhuǎn)體之中的一種，即通過其軸向的剖面曲線是上述曲線之中某種曲線的一部分，或上述旋轉(zhuǎn)體的部分或全部復(fù)合體，以及其它特殊曲線或特殊設(shè)計的旋轉(zhuǎn)體形反射錐。當(dāng)這個反射錐與換能器同軸時，就能夠把發(fā)射器向其前方發(fā)射的超聲波束均勻的反射到發(fā)射器側(cè)面周圍的空間內(nèi)，或者把側(cè)面周圍空間的超聲波反射到接收器的接收面上。
由于實施本發(fā)明只需要根據(jù)要求，在普通的超聲波換能器的前方安裝一個特定的反射錐，所以本發(fā)明在設(shè)計反射錐時只需要考慮超聲波的反射方向，不必考慮如波的干涉等其它因素，所以具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計、加工容易、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點；尤其在批量生產(chǎn)時，該反射錐可以使用模具來生產(chǎn)，其優(yōu)點更為突出；再有反射錐的最大直徑只要大于工作波長就能夠產(chǎn)生有效的反射，所以整個的換能器的體積和直徑都很小，更適合實際應(yīng)用的需要。另外，使用不同剖面曲線的反射錐，還能夠控制與換能器軸線相平行的的平面內(nèi)的工作角。
以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的實施方案。


圖1換能器的整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2軸向剖面是球形或橢球形的反射錐圖3軸向剖面是拋物線的反射錐圖4軸向剖面是直線和雙曲線的復(fù)合反射錐在圖1中，1是普通的超聲波換能器，在它的工作面2的前方、換能器的軸線方向上，安置有尖端指向換能器工作面的反射錐3，從換能器1超聲波發(fā)射的超聲波或外界到達的超聲波按照4所示的路線被反射，5是安裝座。圖2中的6是軸向剖面是球形或橢球形反射錐；圖3中的7是軸向剖面是拋物線的反射錐；圖4中的反射錐8是由圓錐9和雙曲線旋轉(zhuǎn)體10復(fù)合而成的。
超聲波換能器與反射錐之間可以使用各種方式安裝在一起，如帶有小孔的筒形外殼，金屬絲、網(wǎng)形支架，以及其它一體的結(jié)構(gòu)件或相對位置固定的兩個零件上。
反射錐外圍輪廓曲線的形狀，可以根據(jù)所需要的超聲波傳播方向和范圍來設(shè)計。如圖1中的反射錐是一個圓錐形的，根據(jù)波的反射原理，這種形狀可以使被反射或接收的超聲波在換能器軸線方向的有效工作角是換能器本身的有效工作角的一半，僅僅改變超聲波的傳播方向。如果在換能器和反射錐的周圍加上同軸的遮擋外殼，如果不考慮波的衍射，就能夠在360°之內(nèi)控制與其軸線相垂直的某個平面內(nèi)工作角的大小。
權(quán)利要求1.一種主要應(yīng)用于需要廣闊的發(fā)射或接收角，在代表動點的超聲波發(fā)射或反射器與代表靜點的超聲波接收器之間進行信號傳遞的裝置中使用的超聲波換能器，其特征在于在平面振動模式的超聲波換能器的工作面的前方，安裝有一個錐形旋轉(zhuǎn)體即反射錐，該反射錐的尖端指向上述換能器的工作面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐與換能器同軸安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐是一個圓錐體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐的軸向剖面曲線是圓的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐的軸向剖面曲線是拋物線的一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐的軸向剖面曲線是橢圓的一部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐的軸向剖面曲線是雙曲線的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于反射錐的軸向剖面曲線是一條復(fù)合曲線，該復(fù)合曲線是由直線、圓、橢圓、拋物線、雙曲線等之中的至少兩種構(gòu)成。
專利摘要一種主要應(yīng)用于需要廣闊的發(fā)射或接收角,在代表動點的超聲波發(fā)射或反射器與代表靜點的超聲波接收器之間進行信號傳遞的裝置中使用的超聲波換能器,特別是應(yīng)用于多媒體計算機利用超聲波多點測距實現(xiàn)定位的觸摸式輸入設(shè)備上。本實用新型的結(jié)構(gòu)特點在于在普通的平面振動模式的超聲波換能器的工作面前方,同軸安裝有一個尖端指向工作面的旋轉(zhuǎn)體形超聲波反射錐。這種結(jié)構(gòu)具有反射角可控、設(shè)計簡單、生產(chǎn)容易、低成本的優(yōu)點。
文檔編號G06F3/033GK2391234SQ9920755
公開日2000年8月9日 申請日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月30日
發(fā)明者劉中華, 葉新林 申請人:劉中華