高能效壓電超聲換能器及其端蓋的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高能效壓電超聲換能器及其端蓋，端蓋整體呈圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)置，包括同軸設(shè)置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部；端蓋前部具有輸出端面；端蓋尾部具有固定部；端蓋中部為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺(tái)狀或者正梯形臺(tái)狀；橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部；由此可知，本發(fā)明通過合理的設(shè)計(jì)換能器端蓋的質(zhì)量分布，減少輸出端面的質(zhì)量負(fù)載，與傳統(tǒng)的實(shí)心型端蓋相比，這種布局在相同的輸入功率下能增大輸出端面的振幅，有助于提高輸出效率。
【專利說明】
高能效壓電超聲換能器及其端蓋
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電超聲換能器的端蓋，尤其是一種能夠提高聲壓輻射面振幅但基本保持聲壓輻射面構(gòu)型不變的端蓋，適用于需要具有大聲壓輻射面的場(chǎng)合。
[0002]本發(fā)明還涉及一種具有上述端蓋的壓電超聲換能器。
【背景技術(shù)】
[0003]壓電超聲換能器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng)，依靠金屬端蓋的輻射面向外輸出超聲波能量的器件。夾心式壓電超聲換能器(又稱郎之萬換能器)是壓電作動(dòng)器的一種典型結(jié)構(gòu)，基于其構(gòu)型設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)，超聲刀具以及超聲焊接部件等已經(jīng)在精密驅(qū)動(dòng)、生物醫(yī)療、電子工業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。開展高能效夾心式壓電換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，將有助于提高包括超聲電機(jī)等壓電作動(dòng)器的性能，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。
[0004]檢索現(xiàn)有的壓電超聲換能器專利發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮?01210306518.9公開的一種用于超聲手術(shù)器械的高功率密度壓電換能器，其特點(diǎn)是采用多組壓電換能單元，配合喇叭形形變變換塊，提高了超聲波輻射的指向性。但是多組壓電換能單元的引入增加了換能器的功率損耗，將導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱劇烈，使用壽命較短。申請(qǐng)?zhí)枮?01310146169.3公開的一種T型大功率超聲波換能器，采用壓電振子的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成金屬圓盤的彎曲振動(dòng)的方式，有效地增大了換能器的輻射面積，并且能輻射不同頻率的超聲波。但是圓盤的彎曲振動(dòng)使得輻射面上的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)存在相位差，導(dǎo)致輻射面的聲壓分布不均勻。圓盤作為壓電振子的負(fù)載，加大了驅(qū)動(dòng)質(zhì)量，相同的輸入功率下，輸出振幅降低，不易形成較高的聲場(chǎng)強(qiáng)度。因此，合理地設(shè)計(jì)換能器結(jié)構(gòu)，降低質(zhì)量負(fù)載和增大散熱面積，成為提高換能器輸出能效的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種壓電超聲換能器的端蓋，通過合理的設(shè)計(jì)換能器圓柱形端蓋的質(zhì)量分布，減少輸出端面的質(zhì)量負(fù)載，使得端蓋在保持聲壓輻射面不變的前提下，還能夠提高聲壓幅值；因此，采用該端蓋結(jié)構(gòu)的壓電換能器，相對(duì)于現(xiàn)有的常用圓柱形端蓋而言，具有更大的端面振幅，具有輸出能效高的特點(diǎn)，適合運(yùn)行于大功率、長時(shí)間連續(xù)工作等場(chǎng)合。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
一種高能效壓電超聲換能器的端蓋，整體呈圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)置，包括同軸設(shè)置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中:端蓋前部，具有用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端面;端蓋尾部，在軸線位置處具有固定部；端蓋中部，為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺(tái)狀或者正梯形臺(tái)狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述肋板為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個(gè)直角邊與端蓋前部連接，直角三角形肋板的另一個(gè)直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，端蓋尾部設(shè)置的固定部為螺孔。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述肋板為4塊。
[0010]本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種高能效壓電超聲換能器，為夾心式壓電振子結(jié)構(gòu)，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、壓電陶瓷組件以及后端蓋;所述前端蓋和/或后端蓋的主體結(jié)構(gòu)呈圓柱形，包括同軸設(shè)置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中:端蓋前部，具有用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端面;端蓋尾部，與壓電陶瓷組件相鄰接，在軸線位置處具有與緊固螺栓配合的螺孔;端蓋中部，為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺(tái)狀或者正梯形臺(tái)狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述前端蓋與壓電陶瓷組件之間、后端蓋與壓電陶瓷組件之間均設(shè)置有散熱盤。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述散熱盤為圓盤狀結(jié)構(gòu)，包括盤體，盤體中部具有與緊固螺栓配合的螺孔，且盤體在面向前端蓋/后端蓋的盤面均布有若干散熱槽，各散熱槽均沿著盤體的徑向布置。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述散熱槽的外側(cè)槽壁缺口設(shè)置，并與散熱盤的外圓面齊平。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述壓電陶瓷組件為單分區(qū)激勵(lì)結(jié)構(gòu)，包括縱振壓電陶瓷片以及電極片;所述縱振壓電陶瓷片為偶數(shù)片，壓電陶瓷片與電極片相間設(shè)置，各壓電陶瓷片的極化邊界同位設(shè)置。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，壓電陶瓷組件與正弦高頻交流激勵(lì)電源連接，在換能器的一階縱向共振模態(tài)頻率附近，激發(fā)換能器產(chǎn)生共振，輸出端面向外輻射超聲波。
[0016]根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果:
1、端蓋中部的中部位置采用橫截面漸變段，直徑較小的頂面與端蓋前部相連，減小了換能器在輸出端的質(zhì)量負(fù)載，與傳統(tǒng)的實(shí)心型端蓋相比，這種布局在相同的輸入功率下能增大輸出端面的振幅，有助于提高輸出效率;采用肋板作為端蓋前部和尾部之間的支撐結(jié)構(gòu)，有利于避免端蓋前部發(fā)生的彎曲形變，提高輸出端面振動(dòng)的均勻性。
[0017]2、基于質(zhì)量分布優(yōu)化的壓電超聲換能器的振動(dòng)和發(fā)熱情況:經(jīng)多物理場(chǎng)耦合有限元計(jì)算，其一階縱振模態(tài)頻率與實(shí)心型壓電超聲換能器接近，諧波響應(yīng)計(jì)算的振幅提高了一倍，顯著提高了輸出能量效率，溫度場(chǎng)計(jì)算的溫升降低了 30%，改善了換能器的發(fā)熱特性。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明所述壓電超聲換能器端蓋的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2-1為本發(fā)明所述端蓋的正視圖； 圖2-2為圖2-1的剖視圖；
圖中:1-1、輸出端面；1-2、端蓋前部；1-3、端蓋中部；1-4、端蓋尾部；1-5、橫截面漸變段;1-6、肋板；
圖3-1為壓電超聲換能器的立體視圖；
圖3-2為壓電超聲換能器的分解視圖；
圖4-1為散熱盤結(jié)構(gòu)圖；
圖4-2為圖4-1的#1』視圖；
圖5為壓電超聲換能器的工作原理示意圖。
[0019]圖中標(biāo)號(hào)名稱:1、散熱盤;2、電極片;3、緊固螺栓;4、壓電陶瓷片;5-1、前端蓋;5-
2、后端蓋;6-1、前端蓋的輸出端面;6-2、后端蓋的輸出端面;7、散熱槽;8、換能器的一階縱向振動(dòng)模態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]本發(fā)明為提高超聲換能器的能效，從優(yōu)化超聲換能器圓柱形端蓋的質(zhì)量分布入手，概括而言，就是減少圓柱形端蓋輸出端面的質(zhì)量負(fù)載，具體地，本發(fā)明所述超聲換能器的端蓋，具有如下結(jié)構(gòu):端蓋整體呈圓柱形結(jié)構(gòu)，但是分為三個(gè)部分，如圖1、圖2-1、2_2所示，分別為:端蓋前部1-2、端蓋中部1-3以及端蓋尾部1-4;其中:端蓋前部1-2，具有用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端面1-1，且用于向外輻射超聲波的輸出端面1-1位于端蓋前部1-2的前端；端蓋尾部1-4，在軸線位置處具有固定部，即用于安裝緊固螺栓的螺紋孔(固定部)位于端蓋尾部1-4的末端;端蓋中部1-3，為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括處于中部位置的橫截面漸變段1-5，該橫截面漸變段1-5呈圓臺(tái)狀;橫截面漸變段1-5的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段1-5的大端與端蓋尾部1-4連接，橫截面漸變段1-5的小端則與端蓋前部1-2連接，且橫截面漸變段1-5的外壁通過若干周向均布的肋板1-6支撐在端蓋前部1-2。端蓋可采用電火花加工成形，也可采用激光堆積融化的增材制造方式一次成形。
[0022]附圖中:所述肋板1-6為4塊，但不僅限于4個(gè);每一塊肋板1-6均為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部1-4連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個(gè)直角邊與端蓋前部1-2連接，直角三角形肋板的另一個(gè)直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。
[0023]另外，本發(fā)明所述的橫截面漸變段除了為附圖所示的圓臺(tái)狀，還可以為正梯臺(tái)式結(jié)構(gòu)。
[0024]如圖3-1、圖3-2所示，本發(fā)明所述高能效壓電超聲換能器，主要由散熱盤1、電極片
2、緊固螺栓3、壓電陶瓷4、前端蓋5-1和后端蓋5-2組成。電極片2與壓電陶瓷片4間隔布置，組成壓電陶瓷組件。壓電陶瓷片的數(shù)目為偶數(shù)，相鄰壓電陶瓷片的極化邊界同位布置。前端蓋5-1在緊固螺栓3的預(yù)緊力作用下，依次將散熱盤1、壓電陶瓷組件和后端蓋5-2連為一體。輸出端面6-1和6-2布置在換能器的端部，兩片散熱盤I具有散熱槽的一面布置在靠近端蓋的一側(cè)。
[0025]另外，前端蓋5-1和后端蓋5-2的結(jié)構(gòu)并不嚴(yán)格要求為一致，事實(shí)上，在工程實(shí)踐中，通常會(huì)根據(jù)使用需求進(jìn)行配置。
[0026]如圖4-1、圖4-2所示，本發(fā)明所述散熱盤I為圓盤型結(jié)構(gòu)，數(shù)目與端蓋相一致，質(zhì)量與端蓋鏤空部分去除的質(zhì)量相近。所示散熱盤I的直徑為端蓋直徑的2倍，但不僅限于2倍。在散熱盤I的一側(cè)布置有多道散熱槽7，用于增加散熱盤與空氣接觸的表面積。圖示散熱槽數(shù)目為12個(gè)，但不僅限于12個(gè)，散熱槽也不僅限于布置在散熱盤I的一側(cè)。
[0027]圖5所示的壓電超聲換能器長度為104mm，端蓋部分直徑為40mm，散熱盤直徑為80_，壓電陶瓷組件部分采用兩片壓電陶瓷片。采用有限元計(jì)算，該換能器的一階縱向振動(dòng)模態(tài)8對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率約為21kHz，與同尺寸實(shí)心型壓電換能器的模態(tài)頻率接近;40V峰-峰值交流信號(hào)激勵(lì)下，振幅為1.6微米，是實(shí)心型壓電換能器的2倍;計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫升為6°C，是實(shí)心型壓電換能器的2/3。
[0028]另外，
【申請(qǐng)人】還需聲明的是，上述的壓電換能器，僅僅為本發(fā)明所述的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，事實(shí)上，所述的端蓋，除了可以用于上述的桿型壓電換能器，還可以應(yīng)用于環(huán)形壓電換能器；同時(shí)，所述的壓電換能器中，除了選擇使用縱振壓電陶瓷片，還可以選用彎振、扭振壓電陶瓷片。
[0029]上面結(jié)合附圖所描述的本發(fā)明優(yōu)選具體實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的實(shí)施方式，而不是作為前述發(fā)明目的和所附權(quán)利要求內(nèi)容和范圍的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)和權(quán)力保護(hù)范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高能效壓電超聲換能器的端蓋，整體呈圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)置，其特征在于，包括同軸設(shè)置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中: 端蓋前部，具有用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端面； 端蓋尾部，在軸線位置處具有固定部； 端蓋中部，為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺(tái)狀或者正梯形臺(tái)狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:所述肋板為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個(gè)直角邊與端蓋前部連接，直角三角形肋板的另一個(gè)直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:端蓋尾部設(shè)置的固定部為螺孔。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:所述肋板為4塊。5.—種高能效壓電超聲換能器，為夾心式壓電振子結(jié)構(gòu)，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、壓電陶瓷組件以及后端蓋;其特征在于:所述前端蓋和/或后端蓋的主體結(jié)構(gòu)呈圓柱形，包括同軸設(shè)置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中: 端蓋前部，具有用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端面； 端蓋尾部，與壓電陶瓷組件相鄰接，在軸線位置處具有與緊固螺栓配合的螺孔； 端蓋中部，為組合式鏤空結(jié)構(gòu)，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺(tái)狀或者正梯形臺(tái)狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述前端蓋與壓電陶瓷組件之間、后端蓋與壓電陶瓷組件之間均設(shè)置有散熱盤。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述散熱盤為圓盤狀結(jié)構(gòu)，包括盤體，盤體中部具有與緊固螺栓配合的螺孔，且盤體在面向前端蓋/后端蓋的盤面均布有若干散熱槽，各散熱槽均沿著盤體的徑向布置。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述散熱槽的外側(cè)槽壁缺口設(shè)置，并與散熱盤的外圓面齊平。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述壓電陶瓷組件為單分區(qū)激勵(lì)結(jié)構(gòu)，包括縱振壓電陶瓷片以及電極片;所述縱振壓電陶瓷片為偶數(shù)片，壓電陶瓷片與電極片相間設(shè)置，各壓電陶瓷片的極化邊界同位設(shè)置。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:壓電陶瓷組件與正弦高頻交流激勵(lì)電源連接，在換能器的一階縱向共振模態(tài)頻率附近，激發(fā)換能器產(chǎn)生共振，輸出端面向外福射超聲波。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK106076793SQ201610489676
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】蘆小龍, 胡俊輝
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)