本實(shí)用新型涉及換能器領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波換能器。

背景技術(shù)：

超聲波換能器是超聲波切割、破碎、焊接等設(shè)備的核心部件，主要由換能器和調(diào)幅器兩部分組成，主要功能是在高頻高壓電源的激勵(lì)下，通過(guò)換能器自身的間諧振動(dòng)并帶動(dòng)整個(gè)換能器共振，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其主要工作原理為：在壓電陶瓷片兩極施加電源電壓時(shí)，由于壓電陶瓷材料的逆圧電效應(yīng)，壓電陶瓷片會(huì)沿厚度方向(即換能器的軸向)產(chǎn)生形變，該形變?cè)诮蛔冸娏鞯淖饔孟路磸?fù)伸張圧縮從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

換能器在工作時(shí)，在交變電流的作用下以諧振頻率發(fā)生周期性的伸張壓縮形變，同時(shí)也帶動(dòng)調(diào)幅器共振，這樣換能器和調(diào)幅器就各自變成了一個(gè)間諧振動(dòng)單元，換能器受電信號(hào)激勵(lì)，再激勵(lì)同諧振頻率調(diào)幅器，兩者共振。每個(gè)諧振單元在輸出軸向振幅的同時(shí)，徑向也會(huì)周期性的產(chǎn)生形變，在單元兩端軸向形變最大，徑向形變最小，而中間節(jié)點(diǎn)位置正相反，軸向形變最小，徑向形變最大，諧振單元的結(jié)構(gòu)增益與節(jié)點(diǎn)兩端的質(zhì)量比成正比，超聲波換能器產(chǎn)生振幅的大小既取決于換能器和調(diào)幅器各自的結(jié)構(gòu)增益，同時(shí)和施加的電壓高低有關(guān)，輸出振幅影響超聲波換能器的輸出功率，電壓越高，振幅越大，可輸出功率也越高。

如果通過(guò)結(jié)構(gòu)增益增大振幅會(huì)引起材料內(nèi)部應(yīng)力升高，加速疲勞，影響使用壽命，若通過(guò)提高工作電壓會(huì)引起換能器自身發(fā)熱，溫度升高太快，會(huì)嚴(yán)重影響換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率，而在現(xiàn)有技術(shù)中，為了保證超聲波換能器的有效輸出，避免快速發(fā)熱，通常采用降低超聲波換能器的結(jié)構(gòu)增益或者降低工作電壓的方法，通過(guò)提高調(diào)幅器的增益來(lái)保證振幅， 或者增加壓電陶瓷片數(shù)量及降低超聲波換能器和調(diào)幅器安裝法蘭的損耗。

但在上述方法中，無(wú)論是降低超聲波換能器的結(jié)構(gòu)增益，還是降低工作電壓，都會(huì)降低超聲波換能器的輸出振幅，限制超聲波的輸出功率，這樣對(duì)于一些大面積或者熔點(diǎn)高的材料時(shí)，就難以滿(mǎn)足應(yīng)用要求，在這種情況下，為了提高振幅和輸出功率，只能提高調(diào)幅器的結(jié)構(gòu)增益，或者增加換能器的壓電陶瓷片數(shù)量。如果提高調(diào)幅器增益， 就要增加節(jié)點(diǎn)前端的材料質(zhì)量，即增大換能器連接端的直徑，或者減小輸出端的直徑，但是這樣會(huì)引起材料內(nèi)部應(yīng)力的過(guò)分集中，而直徑減小后的輸出端承受內(nèi)部應(yīng)力過(guò)高會(huì)更容易發(fā)生斷裂，同時(shí)還會(huì)增加材料成本和加工成本。如果增加換能器的圧電陶瓷片數(shù)量， 也會(huì)增加材料成本，同時(shí)也增加能耗。

另外，市場(chǎng)上出于對(duì)成本和通用性的需要，通常對(duì)換能器的安裝法蘭尺寸有統(tǒng)一的尺寸要求，因此，調(diào)幅器的安裝法蘭需要考慮通用性的要求，以便更換使用，這樣也就限制了調(diào)幅器的最大直徑。而為了提高調(diào)幅器的增益，目前調(diào)幅器為一般采用柱形調(diào)幅器01和錐形調(diào)幅器02兩種結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在同樣直徑下可以獲得最大的有限增益，但這種結(jié)構(gòu)的調(diào)幅器由于設(shè)計(jì)上的缺陷，增益效果有限，滿(mǎn)足不了使用需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中超聲波換能器的增益效果不佳、受形狀限制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種新型結(jié)構(gòu)的超聲波換能器，具體技術(shù)方案如下：

一種超聲波換能器，包括換能器本體和調(diào)幅器，換能器本體安裝在調(diào)幅器上方，所述換能器本體包括后端壓塊、壓電陶瓷組和前驅(qū)動(dòng)塊，所述調(diào)幅器包括輸入端、增益端和輸出端，壓電陶瓷組安裝在后端壓塊和前驅(qū)動(dòng)塊之間，換能器本體的前驅(qū)動(dòng)塊連接調(diào)幅器的輸入端，輸入端和輸出端通過(guò)圓弧形的增益端實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，輸入端的直徑大于增益端的直徑，外部高頻電壓電連接壓電陶瓷組，壓電陶瓷組產(chǎn)生的超聲波振幅經(jīng)前驅(qū)動(dòng)塊一次增益放大后進(jìn)入調(diào)幅器的輸入端，弧形的增益端對(duì)超聲波振幅進(jìn)行二次增益放大后經(jīng)輸出端輸出到外部設(shè)備。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述壓電陶瓷組由多個(gè)壓電陶瓷片組成，每個(gè)壓電陶瓷片的上下兩側(cè)設(shè)有電極片，前驅(qū)動(dòng)塊上方設(shè)有安裝法蘭，安裝法蘭、電極片、壓電陶瓷片和后端壓塊通過(guò)穿過(guò)其的高強(qiáng)度螺桿安裝一體。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述前驅(qū)動(dòng)塊、輸入端分別設(shè)有位置相對(duì)應(yīng)的連接螺絲孔，前驅(qū)動(dòng)塊、輸入端通過(guò)雙頭螺栓和連接螺絲孔的配合連接一體。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述安裝法蘭外周側(cè)通過(guò)減震槽或減震膠圈安裝于保護(hù)殼內(nèi)部下端，后端壓塊、壓電陶瓷組位于保護(hù)殼內(nèi)部。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述前驅(qū)動(dòng)塊、輸出端的上部分處都設(shè)有放大超聲波振幅的放大弧度，前驅(qū)動(dòng)塊、輸出端的截面為喇叭型。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述輸出端尾部設(shè)有供外部設(shè)備連接的螺紋孔。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述保護(hù)殼上方安裝有高頻電壓輸入螺母或高頻電壓輸入連接器，外部電源通過(guò)高頻電壓輸入螺母或高頻電壓輸入連接器電連接壓電陶瓷組。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述壓電陶瓷組位于換能器本體中心軸處。

作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述壓電陶瓷組有兩組，兩組壓電陶瓷組之間安裝有第二驅(qū)動(dòng)塊，上下壓電陶瓷組通過(guò)螺桿連接第二驅(qū)動(dòng)塊。

一種超聲波切割、破碎、焊接設(shè)備，包括上述技術(shù)特征的超聲波換能器。

本實(shí)用新型有益效果在于：把超聲波換能器分成換能器本體和調(diào)幅器兩大組成部分，后端壓塊和前驅(qū)動(dòng)塊之間的壓電陶瓷組發(fā)生周期性的伸張壓縮形變產(chǎn)生超聲波振幅，超聲波經(jīng)具有放大弧度的前驅(qū)動(dòng)塊一次增益放大后進(jìn)入調(diào)幅器的輸入端，傳遞到弧形的增益端對(duì)超聲波進(jìn)行二次增益放大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，增益效果明顯，提高換能器的總體振幅，避免材料內(nèi)部應(yīng)力的過(guò)分集中而損壞換能器，延長(zhǎng)使用壽命，此結(jié)構(gòu)改善可使換能器增益不受安裝法蘭、保護(hù)殼等外部安裝零件的限制。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中柱形調(diào)幅器和錐形調(diào)幅器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型超聲波換能器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型超聲波換能器實(shí)施例1的分解示意圖；

圖4是本實(shí)用新型超聲波換能器實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型超聲波換能器實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型超聲波換能器實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1—換能器本體，2—調(diào)幅器，3—后端壓塊，4—壓電陶瓷組，5—前驅(qū)動(dòng)塊，6—輸入端，7—增益端，8—輸出端，9—安裝法蘭，10—保護(hù)殼，11—減震槽，12—減震膠圈，13—第二驅(qū)動(dòng)塊，14—連接螺絲孔，15—高頻電壓輸入螺母，16—高頻電壓輸入連接器，17—螺紋孔，18—導(dǎo)線(xiàn)，19—放大弧度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明：

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以視具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

本實(shí)用新型的實(shí)施例1如圖2和圖3所示，一種超聲波換能器，包括換能器本體1和調(diào)幅器2，換能器本體1安裝在調(diào)幅器2上方，所述換能器本體1包括后端壓塊3、壓電陶瓷組4和前驅(qū)動(dòng)塊5，壓電陶瓷組4有一組且由多個(gè)壓電陶瓷片組成，所述調(diào)幅器2包括輸入端6、增益端7和輸出端8，壓電陶瓷組4安裝在后端壓塊3和前驅(qū)動(dòng)塊之間5，前驅(qū)動(dòng)塊5上方設(shè)有安裝法蘭9，安裝法蘭外周側(cè)通過(guò)減震膠圈12安裝于保護(hù)殼10內(nèi)部下端，換能器本體1的前驅(qū)動(dòng)塊5連接調(diào)幅器2的輸入端6，輸入端6和輸出端8通過(guò)內(nèi)凹的圓弧形增益端7實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，輸入端6的直徑大于增益端7的直徑，外部高頻電壓的電源線(xiàn)卷連接高頻電壓輸入連接器16后，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接壓電陶瓷組4，高頻電壓輸入連接器16安裝在保護(hù)殼10上方。

本實(shí)用新型的實(shí)施例2如圖4所示，一種超聲波換能器，包括換能器本體1和調(diào)幅器2，換能器本體1安裝在調(diào)幅器2上方，所述換能器本體1包括后端壓塊3、壓電陶瓷組4和前驅(qū)動(dòng)塊5，壓電陶瓷組4有一組且由多個(gè)壓電陶瓷片組成，所述調(diào)幅器2包括輸入端6、增益端7和輸出端8，壓電陶瓷組4安裝在后端壓塊3和前驅(qū)動(dòng)塊之間5，前驅(qū)動(dòng)塊5上方設(shè)有安裝法蘭9，安裝法蘭外周側(cè)通過(guò)減震膠圈12安裝于保護(hù)殼10內(nèi)部下端，換能器本體1的前驅(qū)動(dòng)塊5連接調(diào)幅器2的輸入端6，輸入端6和輸出端8通過(guò)內(nèi)凹的圓弧形增益端7實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，輸入端6的直徑大于增益端7的直徑，外部高頻電壓的電源線(xiàn)卷繞在高頻電壓輸入螺母15后，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接壓電陶瓷組4，高頻電壓輸入螺母15螺接在保護(hù)殼10上方。

本實(shí)用新型的實(shí)施例3如圖5所示，一種超聲波換能器，包括換能器本體1和調(diào)幅器2，換能器本體1安裝在調(diào)幅器2上方，所述換能器本體1包括后端壓塊3、壓電陶瓷組4和前驅(qū)動(dòng)塊5，壓電陶瓷組4有兩組且每組由多個(gè)壓電陶瓷片組成，兩組壓電陶瓷組4之間安裝有第二驅(qū)動(dòng)塊13，上下壓電陶瓷組4通過(guò)螺桿連接第二驅(qū)動(dòng)塊13，所述調(diào)幅器2包括輸入端6、增益端7和輸出端8，壓電陶瓷組4安裝在后端壓塊3和前驅(qū)動(dòng)塊之間5，前驅(qū)動(dòng)塊5上方設(shè)有安裝法蘭9，安裝法蘭外周側(cè)套裝減震膠圈12安裝于保護(hù)殼10內(nèi)部下端，換能器本體1的前驅(qū)動(dòng)塊5連接調(diào)幅器2的輸入端6，輸入端6和輸出端8通過(guò)內(nèi)凹的圓弧形增益端7實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，輸入端6的直徑大于增益端7的直徑，外部高頻電壓的電源線(xiàn)連接高頻電壓輸入連接器16后，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接壓電陶瓷組4，高頻電壓輸入連接器16螺接在保護(hù)殼10上方。

本實(shí)用新型的實(shí)施例4如圖5所示，一種超聲波換能器，包括換能器本體1和調(diào)幅器2，換能器本體1安裝在調(diào)幅器2上方，所述換能器本體1包括后端壓塊3、壓電陶瓷組4和前驅(qū)動(dòng)塊5，壓電陶瓷組4有一組且由多個(gè)壓電陶瓷片組成，所述調(diào)幅器2包括輸入端6、增益端7和輸出端8，壓電陶瓷組4安裝在后端壓塊3和前驅(qū)動(dòng)塊之間5，前驅(qū)動(dòng)塊5上方設(shè)有安裝法蘭9，安裝法蘭外周側(cè)通過(guò)減震槽11安裝于保護(hù)殼10內(nèi)部下端，換能器本體1的前驅(qū)動(dòng)塊5連接調(diào)幅器2的輸入端6，輸入端6和輸出端8通過(guò)內(nèi)凹的圓弧形增益端7實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，輸入端6的直徑大于增益端7的直徑，外部高頻電壓的電源線(xiàn)卷繞在高頻電壓輸入螺母15后，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接壓電陶瓷組4，高頻電壓輸入螺母15螺接在保護(hù)殼10上方。

具體的，輸入端6的直徑大于增益端7的直徑，按照需要增大結(jié)構(gòu)增益，后端壓塊3固定不動(dòng)，由換能器的壓電陶瓷組4震動(dòng)通過(guò)前驅(qū)動(dòng)塊5與輸入端6的連接帶動(dòng)調(diào)幅器2震動(dòng)，由于調(diào)幅器2的增益和其上下兩側(cè)的質(zhì)量比成正比，因此，為了增大調(diào)幅器的增益，因此需要增大調(diào)幅器兩側(cè)的質(zhì)量比，采用的現(xiàn)有技術(shù)的錐形或柱形結(jié)構(gòu)都會(huì)受到具體形狀及尺寸的限制，而采用本實(shí)用新型的調(diào)幅器結(jié)構(gòu)，可以克服增大結(jié)構(gòu)增益受形狀及尺寸限制的技術(shù)同題，從而達(dá)到了不受形狀及尺寸限制提高結(jié)構(gòu)增益的技術(shù)效果。

具體的，每個(gè)壓電陶瓷片的上下兩側(cè)設(shè)有電極片，電極片分為正負(fù)極，外部高頻電壓的電源線(xiàn)連接高頻電壓輸入連接器16或高頻電壓輸入螺母15，高頻電壓輸入連接器16或高頻電壓輸入螺母15通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)18電連接電極片，方便電源傳輸，另外，高強(qiáng)度螺桿從上或從下依次穿過(guò)安裝法蘭9、電極片、壓電陶瓷片和后端壓塊3后采用螺母鎖緊，安裝法蘭9、電極片、壓電陶瓷片和后端壓塊3就可通過(guò)高強(qiáng)度螺桿固定安裝一體，前驅(qū)動(dòng)塊5、輸入端6分別設(shè)有位置相對(duì)應(yīng)的連接螺絲孔14，前驅(qū)動(dòng)塊5、輸入端6通過(guò)雙頭螺栓和連接螺絲孔14的配合連接一體。

具體的，所述前驅(qū)動(dòng)塊5、輸出端8的上部分處都設(shè)有放大超聲波振幅的放大弧度19，前驅(qū)動(dòng)塊5、輸出端8的截面為喇叭型，這樣的結(jié)構(gòu)通過(guò)可以減小前驅(qū)動(dòng)塊5的上部分處半徑來(lái)減小輸出端的質(zhì)量，由于換能器的結(jié)構(gòu)增益與各自節(jié)點(diǎn)兩端的質(zhì)量比是成正比的，所以將前驅(qū)動(dòng)塊5設(shè)置為喇叭型結(jié)構(gòu)，后端壓塊3的直徑大于前驅(qū)動(dòng)塊5的直徑，對(duì)于換能器的中心位置而言，其上部的后端壓塊3和下部的前驅(qū)動(dòng)塊5的質(zhì)量比會(huì)增大，通過(guò)喇叭型結(jié)構(gòu)的順滑過(guò)度，有效的減小材料疲勞，從而進(jìn)一步增大了結(jié)構(gòu)增益，所述輸出端8尾部設(shè)有供外部設(shè)備連接的螺紋孔17，外部的超聲波工具頭通過(guò)螺紋孔17安裝在調(diào)幅器2下方，組成超聲波切割、破碎、焊接設(shè)備。

具體的，所述壓電陶瓷組位于換能器本體中心軸處，可以降低圧電陶瓷片組由于震動(dòng)帶來(lái)的發(fā)熱量，因?yàn)閾Q能器在交變電流的作用下以諧振頻率發(fā)生周期性的伸張壓縮形變，在輸出軸向振幅的同時(shí)，徑向也會(huì)周期性的產(chǎn)生形變。在超聲波換能器兩端軸向形變最大，徑向形變最小，而中間節(jié)點(diǎn)位置正相反，徑向形變最大，軸向形變最小，這樣，當(dāng)圧電陶瓷片靠近中心位置時(shí)，由于軸向形變最小，所以其自身的發(fā)熱量就會(huì)較低。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明，對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。