声学换能器系统的制作方法

声学换能器系统
相关申请的交叉引用
1.本pct申请要求于2019年12月30日提交的名称为“acoustic transducer system[声学换能器系统]”的美国临时专利申请序列号62/954,842的权益，该临时专利申请的内容通过援引以其整体并入本文。


背景技术：

[0002]
当前的洗碗机器通过将热水喷在其中所容纳的碗碟和餐具上来操作。在洗涤循环中，水与洗碗机洗涤剂混合并被泵送到一个或多个旋转喷臂，这些旋转喷臂然后用清洗混合物冲洗碗碟。在漂洗循环期间，使用纯净水重复该过程，纯净水可以与漂洗助剂混合以防止水滴形成，从而减少硬水中的水渍。然而，目前的洗碗机器存在不足。
[0003]
目前的洗衣机器也以类似的方式运行，使用机械翻滚运动和搅动泵送的水的组合来清洗衣物。目前的洗衣机器存在不足。
[0004]
本发明涉及一种特别有益于洗碗和洗衣的系统。


技术实现要素：

[0005]
本发明克服了现有技术的不足。特别地，根据本发明的系统包括至少一个支撑件和被该支撑件支撑的多个压电换能器。每个压电换能器可以包括：圆柱形壳体，该圆柱形壳体具有圆柱形侧表面、封闭的底表面和圆锥形或棱锥形顶表面，该圆锥形或棱锥形顶表面具有沿该壳体的顶表面居中的出水口；进水口，该进水口沿本体的侧表面；透镜；压电材料，该压电材料具有上表面和下表面，该压电材料的上表面联接到透镜；以及两个电极，这两个电极电联接到压电材料的下表面和上表面并且被配置为联接到电源。
[0006]
进水口和出水口流体连通。
[0007]
该支撑件可以是洗碗机器或洗衣机器的一部分。例如，支撑叉可以包括可旋转地联接到机器的内部底表面的两个旋转臂，其中，在每个臂上具有多个压电换能器。
[0008]
可选地，支撑件可以包括至少一个可滑动的臂，该至少一个可滑动的臂可滑动地联接到机器的内部表面。
[0009]
支撑件可以是三维螺旋(helix)形的或二维螺旋(spiral)形的。
[0010]
当机器是洗衣机器时，它可以包括不可旋转的滚筒，其中支撑件联接到滚筒的内部表面。可选地，滚筒可以是支撑件。换能器可以包括联接到滚筒的内部底表面的多个环形换能器，其中换能器围绕滚筒的内部底表面的周边间隔开。
[0011]
优选地，压电材料是锆钛酸铅。
附图说明
[0012]
参考以下描述、所附权利要求书、和附图将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面、和优点，在附图中：
[0013]
图1是具有本发明的特征的压电换能器的俯视立体图，其中，换能器可以具有一个
或多个进水口；
[0014]
图2是使用图1的换能器的换能器系统的截面视图；
[0015]
图3是具有柱面聚焦透镜的压电换能器的俯视平面图；
[0016]
图4是图3所示的换能器的立体图；
[0017]
图5是其中安装有多个图1的压电换能器的洗碗机器的立体图；
[0018]
图6是具有本发明的特征的洗碗机的软件控制的流程图；
[0019]
图7是其中安装有多个图1的压电换能器的洗衣机的俯视立体图；
[0020]
图8是洗衣机器的非旋转滚筒的立体图，其中多个换能器沿滚筒的内侧表面分布；
[0021]
图9是图8的滚筒的附加立体图，其中，滚筒的底部配备有多个环形换能器；
[0022]
图10是图8的滚筒的附加立体图，其中，滚筒的底部配备有多个环形换能器；
[0023]
图11是洗衣机器的非旋转滚筒的立体图，其中，多个换能器沿滚筒的内侧表面以三维螺旋构型分布；
[0024]
图12是图11的滚筒的附加立体图，其中，滚筒的底部配备有多个环形换能器；
[0025]
图13是图12的滚筒的示意图；
[0026]
图14是球面聚焦换能器的俯视立体图，该换能器具有两个进水口以及泄放器以防止空气被困留；
[0027]
图15是环形换能器的俯视立体图；
[0028]
图16是球面聚焦透镜的俯视立体图；
[0029]
图17是图9、图10或图12的滚筒的底部的换能器的附加构型的俯视平面图，其中，换能器为柱面聚焦的并以二维螺旋构型分布；
[0030]
图18是具有本发明的特征的洗衣机器的软件控制的流程图；
[0031]
图19是换能器的截面侧平面视图，换能器具有背衬材料，背衬材料与压电材料联接，压电材料夹在两个电极之间并联接到具有平坦表面的透镜材料；
[0032]
图20是图19的换能器的截面侧平面视图，其中，透镜材料的表面是弯曲的；
[0033]
图21是图19的换能器的立体图；
[0034]
图22是图20的换能器的立体图，其中，弯曲表面是圆柱形的；以及
[0035]
图23是图20的换能器的立体图，其中，弯曲表面是球形的。
具体实施方式
[0036]
如本文所用，以下术语及其变体具有以下给出的含义，除非使用这种术语的上下文明确意指不同的含义。
[0037]
本文使用的术语“一”、“一个”和“该”以及类似的指称应解释为涵盖单数和复数，除非上下文中另有说明。
[0038]
如在本披露中使用的，术语“包括”和该术语的变体、比如“包含”和“含有”不排除其他部件或步骤。
[0039]
本发明利用改进的声学换能器系统。此系统可以用于洗碗机器和洗衣机器以及其他应用。
[0040]
现在参考图1至图4，示出了本发明的压电换能器100。
[0041]
图1示出了一种版本的换能器100的本体102。本体102是圆柱形的，具有圆柱形侧
表面104、封闭的底表面106和圆锥形或棱锥形顶表面108，顶表面108具有至少一个向内倾斜的表面110。本体102具有沿本体102的侧表面104的进水口和在本体102的顶表面108上居中的出水口。进水口和出水口流体连通以使水从入口流向出口。一层压电材料112沿着本体102的底表面106的内部表面。透镜114位于压电材料112的顶部(本体102的底表面的远侧)。
[0042]
压电材料112具有上表面116和下表面118。压电材料112的下表面118靠近本体102的底表面106，并且压电材料112的上表面116在本体102的底表面106的远侧。如上所述，透镜114联接到压电材料112的上表面116。透镜114可以是电离铝、不锈钢或玻璃等。电离铝在化学和机械方面是稳定的并且相对便宜。
[0043]
两个电极120可以联接到压电材料112的下表面118和上表面116。电极120沿压电材料112的下表面118和上表面116间隔开并且电连接到电源122。电极120可以是铬或铬/金的真空沉积薄层这些电极120可以通过焊接引线连接到电源122。压电材料112不必直接联接到换能器100的本体102，并且可以在压电材料112的下表面118与本体102的底表面106之间具有填充有空气的空间。
[0044]
图2是图1的换能器100的截面视图，其中进水口沿本体102的顶表面108的倾斜侧110之一定位。
[0045]
图19是换能器200的截面侧平面视图，示出了可选的背衬材料202。背衬材料202可以是空气、黄铜、合成橡胶或声学损耗材料。压电材料112夹在两个电极120与具有平坦表面的透镜114之间。
[0046]
图16示出了具有弯曲透镜114的换能器300。曲率可以是球形的、圆柱形的，或者可选地可以不使用曲率。不同类型的透镜114的曲率产生不同形状的声流。例如，换能器300的球形弯曲透镜114将能量(声流)几乎聚集在一点，而圆柱形弯曲透镜114将声流聚集成线形或槽形。线形或槽形可以非常窄或非常宽，从而使声喷雾图案变薄或变厚。出水口的形状也有助于聚集声流。
[0047]
图20是图19的换能器200的截面侧平面视图，但是透镜材料114的表面是弯曲的。
[0048]
图21是图19的换能器200的立体图。
[0049]
图22是图20的换能器200的立体图，其中，透镜114的弯曲表面是圆柱形的。
[0050]
图23是图20的换能器200的立体图，其中，透镜114的弯曲表面是球形的。
[0051]
当电场施加到压电材料时，电场改变了压电材料的机械尺寸。这种现象称为逆压电效应，它是线性的。压电换能器是一种类型的电声换能器，其将振荡电信号转换为压电晶体中的振动，压电晶体可以作为在整个系统中传播的波源。有源元件是换能器的心脏，因为它将电能转换为声能。有源元件本质上是具有偶极矩的铁电材料，比如pzt陶瓷或铌酸锂。高于称为居里点的一定温度，偶极子方向具有随机取向。偶极子可以通过在居里点附近的温度下施加强电场来对齐；这个过程称为极化。当在已经极化的材料上施加电场时，对齐的偶极矩倾向于在相同方向上膨胀或收缩，这致使材料改变尺寸。这种现象与电致伸缩相似但不同。区别在于电致伸缩引起的变形与施加的电场的平方成比例，因此与电场的方向无关。而压电变形与电场成正比，并随电场符号而反转方向。此外，电致伸缩是电介质的普遍特性，其影响总是非常微小。压电性也是可逆的效应。例如，比如石英(sio2)或钛酸钡(batio3)等永久极化材料在材料由于施加机械力而改变尺寸时产生电场。这种现象被称为正压电效应。
[0052]
现今使用的大多数声学换能器的有源元件是压电陶瓷，其可以以各种方式切割以产生不同的波模式。该器件的谐振频率取决于有源元件和透镜的厚度及它们的压电特性。本发明的换能器的优选有源元件是锆钛酸铅，也称为pzt。pzt有许多变体，比如pzt4和pzt5。可以使用其他压电材料，比如氧化锌，但目前优选地是pzt，因为它可以从100khz至30mhz高效地操作。也可以使用将电能转换为声能的其他材料，比如超材料。
[0053]
换能器操作的频率是通过制造透镜的材料、压电材料和壳体的深度/高度确定的。典型地，换能器在高频(频率范围可以从几赫兹到超过千兆赫兹范围)下操作并产生高功率声波，高功率声波可以具有从极浅的焦点到极窄的焦点。优选地，换能器在超声波或兆声波范围内操作。声波使水分子振动。
[0054]
图3和图4示出了具有矩形本体102的换能器400。
[0055]
在图3中，出水口是沿着本体102的顶表面108的窄矩形条，而不是图1和图2的换能器100的球形本体102中的圆形孔。
[0056]
如上所述，背衬材料202是可选的，因此换能器100、200、300、400可以没有背衬材料202。替代地，换能器100、200、300、400中的空气可以被认为是背衬材料。
[0057]
在使用中，水经由进水口进入换能器100、200、300、400的壳体102。一旦水与透镜114的弯曲表面接触，传感器启用换能器100、200、300、400并使其振动。水经由出水口离开换能器100、200、300、400的壳体102，并带有声流，该声流可以喷在碗碟或衣物上。
[0058]
可选地，换能器100、200、300、400不具有透镜114。
[0059]
如图14所示，换能器100可以可选地包括泄放器以防止空气被困留。
[0060]
通过将换能器100、200、300、400安装在喷杆的水流离开喷杆的每个开口内，而将声流引入水射流(例如洗碗机器)中。
[0061]
在一个实施例中，本发明是一种系统500，该系统包括支撑件502(例如，洗碗机器504中的空心杆或喷杆)，支撑件中安装有多个换能器100、200、300、400。支撑件502可以制成从纵向到横向、从二维螺旋形到椭圆形到三维螺旋形、以及从圆形到圆柱形的不同形状和构型。示例性支撑件502的形状/构型参见图7至图13。
[0062]
支撑件502(喷杆)可以在洗碗机504内以任何方向定位，并且可选地，洗碗机504可以包括多个支撑件502以实现所需的清洁水平。
[0063]
现在参考图5，示出了具有本发明的特征的洗碗机504。在洗碗机504的底部，存在两个旋转喷臂(支撑件)502a，传统的出水孔已经被压电换能器100、200、300、400取代。可选地，顶喷杆(支撑件)502b沿洗碗机504的顶部安装，侧喷杆(支撑件)502c沿洗碗机504的侧壁安装。换能器100、200、300、400已沿顶喷杆和侧喷杆(支撑件)502的长度分布。侧喷杆502c可以可滑动地联接到洗碗机504的侧壁，使得它可以沿着侧壁来回滑动，同时保持竖直。顶喷杆502b也可以可滑动地联接到洗碗机504的顶部，使得它可以侧向滑动/移动同时保持水平定向。
[0064]
可选地，洗碗机504可以仅具有一个顶喷杆502b、仅一个侧喷杆502c或位于洗碗机504底部的仅一个旋转喷臂502a，这些喷杆中安装有换能器100、200、300、400。
[0065]
可能的换能器构型是靠近或位于洗碗机504底部的十六个换能器100、200、300、400以及分布在整个洗碗机504本体的十六个附加换能器100、200、300、400。
[0066]
典型地，换能器100、200、300、400之间的间距可以在1到4英寸之间变化。洗碗机
504中的换能器100、200、300、400的典型总数量可以在20到40个换能器之间变化。
[0067]
每个换能器100、200、300、400具有其自己的频率。可选地，所有换能器100、200、300、400可以一体地操作，或者换能器可以以不同频率在不同时间操作，从而覆盖更宽的频带。换能器100、200、300、400可以在整个洗涤循环中连续操作，或者换能器可以在整个洗涤循环中脉冲地操作。
[0068]
上面讨论的换能器100、200、300、400可以用在洗碗机器504、洗衣机器和可选的干衣机器(下面更详细地讨论)以及其他装置中。
[0069]
现在参考图6，示出了具有本发明的特征的洗碗机504的软件控制的流程图。
[0070]
当水从洗碗机504内的喷杆(支撑件)502喷出时，使用多个压电换能器100、200、300、400向水注入声能，这使得水分子以给定频率振动。除了由于撞击力产生的一种清洁机制之外，声学水射流对脏碗碟的撞击产生了三种新的清洁机制。第一，由于水分子振荡的来回运动，引入了类似于手动擦洗引起的清洁动作。然而，这个动作是在没有与固体物体(比如刷子或海绵)进行任何机械接触的情况下发生的。第二，水分子的振动在陶制餐具中引起体波，这有助于从表面去除食物颗粒。第三，声学射流的动作引入了表面波，该表面波倾向于将脏盘子与粘性物分开。清洁动作也是由于空化和气泡形成引起的，这有助于去除粘在碗碟上的食物。
[0071]
当碗碟被清洁并且干燥循环开始时，多个换能器100、200、300、400可以用于在洗碗机504内产生微型声学空气龙卷风以加速干燥过程。
[0072]
如上所述，本发明的支撑结构也可以是洗衣机器700、以及可选的干衣机器中的结构。洗衣机器700具有安装在其中的至少一个支撑件702，并且可以通过移动各个支撑件702来模拟衣物的典型翻滚动作，从而将衣物的表面暴露于来自支撑件702的声流。支撑件702的移动消除了对旋转滚筒的需要，因此可以降低洗衣机器700的制造成本。此外，本发明既节省时间又节省能量，因为衣物比它们典型地暴露于随机翻滚动作更高效地被清洁。另外，因为不需要旋转滚筒，所以滚筒不必是圆柱形滚筒。它可以是不同的形状，比如更高效地聚集衣物洗涤能量的圆锥形形状。
[0073]
在由固定的圆柱形滚筒或圆锥形滚筒构成的洗衣机700中，支撑件702可以配置成不同的形状和形式，以产生水和洗涤剂的微型声学龙卷风，这致使衣物在洗涤过程中翻滚。
[0074]
在衣物干燥过程中，本发明的换能器100、200、300、400成为空气换能器(而不是水换能器)。换能器100、200、300、400产生声学空气流(而不是声学水流)。即使衣物没有与换能器机械接触，也可以通过将气流带到衣物上来进行干燥。替代地，水换能器和空气换能器可以并排安装。
[0075]
可以调节并优化空气温度和压力，以使得整体能耗最小化并适应织物类型。
[0076]
此外，洗涤或干燥过程可以通过启用声学振动器、比如附接到对物品进行固持的单元的本体的环形换能器704来增强。环形换能器704的俯视立体图参见图15。
[0077]
现在参考图8，示出了洗衣机器的滚筒800，该滚筒具有敞开的顶部802和封闭的底部804。滚筒800可以是旋转的或非旋转的。使用多个压电换能器100、200、300、400来实现衣物的高效清洁。在图8中，滚筒800是非旋转的并且具有多个换能器100、200、300、400，这些换能器沿着滚筒800的内侧表面分布在多条线(支撑件)806中。线806可以是任何形状，包括从底部延伸到顶部的竖直线。换能器100、200、300、400可以是矩形的、球形的或优选为圆柱
形的。线806的数量可以在6至12的范围内，并且每条线上的换能器100、200、300、400的数量可以在2至4的范围内。
[0078]
现在参考图9和图10，示出了图8的非旋转滚筒800，其中滚筒的底部804配备有环形平坦换能器704，其数量可以在7至13的范围内。
[0079]
现在参考图11，示出了非旋转滚筒800，其具有沿滚筒800的内侧表面分布在三维螺旋形状的线(支撑件)806中的换能器100、200、300、400。换能器100、200、300、400的数量可以在12至48的范围内，并且优选地，换能器是柱面聚焦的。
[0080]
图12除了滚筒800的底表面804配备有其数量可以在7至13的范围内的环形平坦换能器704之外，与图11配置相同。图13是图12的示意图。
[0081]
图14示出了其中一个球面聚焦换能器，其具有两个进水口以及泄放器以防止空气被困留。
[0082]
图15示出了其中一个环形换能器704。
[0083]
图16示出了球面聚焦换能器的其中一个透镜114。
[0084]
图17是换能器100、200、300、400的另一种可能的构型，它们位于滚筒800的底部804处。这些换能器100、200、300、400小于上面提到的平坦环形换能器704，并且可以柱面或球面聚焦并分布在二维螺旋形式的线806中。
[0085]
图18是具有本发明的特征的洗衣机700的软件控制的流程图。
[0086]
如上所示，取决于应用，支撑结构的各种构型都是可能的，比如三维螺旋形或二维螺旋形。