專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波換能器中的振源和超聲波全波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到超聲波發(fā)生裝置，尤其涉及到超聲波發(fā)生裝置中的換能器。
背景技術(shù)：
目前，超聲波已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊接、切削、粉碎、噴涂、提練、手術(shù)、磨削和清洗等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的換能器，其結(jié)構(gòu)包括器身和將兩個(gè)壓電陶瓷組分別固定在器身兩側(cè)的器頭和器尾，兩個(gè)壓電陶瓷組中，一個(gè)為主壓電陶瓷組，另一個(gè)為副壓電陶瓷組，副壓電陶瓷組中的壓電陶瓷環(huán)的數(shù)量比主壓電陶瓷組中的少。由上述主、副壓電陶瓷組構(gòu)成的振源，其輸出功率不高，采用這種振源制作的換能器，輸出功率都較??；而且，這種換能器的能量轉(zhuǎn)換效率不高，通常不超過(guò)76%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以提高功率的超聲波換能器中的振源。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為超聲波換能器中的振源，包括 偶數(shù)個(gè)間隔直線(xiàn)布置的壓電陶瓷組，其特征在于所述壓電陶瓷組含有相同片數(shù)的壓電陶瓷環(huán)，并且片數(shù)為偶數(shù)，每個(gè)壓電陶瓷組中，相鄰壓電陶瓷環(huán)的相同極性的端面貼靠在一起，所有壓電陶瓷環(huán)的相同極性并接在一起，形成壓電陶瓷組的正、負(fù)極，兩兩相鄰的壓電陶瓷組的相反極性相連，從而形成所述振源的正、負(fù)極。本發(fā)明所要解決的進(jìn)一步的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以提高能量轉(zhuǎn)換效率的超聲波全波換能器。為解決上述進(jìn)一步的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為超聲波全波換能器，包括振源和振動(dòng)體，所述的振動(dòng)體包括器身以及位于器身兩側(cè)的器頭和器尾，所述的振源包括一對(duì)本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷組即第一壓電陶瓷組和第二壓電陶瓷組，第一壓電陶瓷組設(shè)置在器身與器尾之間，第二壓電陶瓷組設(shè)置在器身與器頭之間；所述的器身、器頭和器尾均為圓柱體，其直徑以及壓電陶瓷環(huán)的外徑均 < 超聲波波長(zhǎng)的四分之一，第二壓電陶瓷組與器身的組合體對(duì)應(yīng)于二分之一波長(zhǎng)，第一壓電陶瓷組與其外側(cè)部分的組合體對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)，器頭對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)。所述器頭由位于內(nèi)側(cè)較粗的連接部和位于外側(cè)較細(xì)的發(fā)射部構(gòu)成，發(fā)射部的橫截面積與連接部的橫截面積之比為I : I. 5 2。所述的全波換能器還包括有密封筒，所述的器身、器尾和兩個(gè)壓電陶瓷組套裝在密封筒中，所述器頭的外周壁上設(shè)置有與密封筒相配合的階梯狀的安裝凸臺(tái)，安裝凸臺(tái)與密封筒之間設(shè)置有密封圈。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的振源，由于每個(gè)壓電陶瓷組均設(shè)置了相同片數(shù)的壓電陶瓷環(huán)，每個(gè)壓電陶瓷組中，相鄰壓電陶瓷環(huán)的相同極性的端面貼靠在一起，所有壓電陶瓷環(huán)的相同極性相并接，形成壓電陶瓷組的正、負(fù)極，兩兩相鄰的壓電陶瓷組的相反極性相連，從而形成所述振源的正、負(fù)極，兩個(gè)壓電陶瓷組合為提供超聲波振源，提高了振源的輸出功率。本發(fā)明所述的換能器由于采用了上述結(jié)構(gòu)的振源，并將第二壓電陶瓷組與器身的組合體對(duì)應(yīng)于二分之一波長(zhǎng)，第一壓電陶瓷組與其外側(cè)部分的組合體對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)，器頭對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)，從而形成一個(gè)全波換能器，大大提高了換能效率，換能效率通常能達(dá)到95%以上；除此之外，由于器頭的發(fā)射部的橫截面積比連接部的橫截面積小，增大了超聲波的振幅，提高了超聲波的振動(dòng)效率；另外，通過(guò)密封筒和密封圈將兩個(gè)壓電陶瓷組密封起來(lái)，從而將本發(fā)明所述的換能器應(yīng)用到污水等惡劣環(huán)境，從而拓寬了所述全波型換能器的應(yīng)用場(chǎng)合。


圖I是本發(fā)明的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中兩個(gè)壓電陶瓷組的電連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明帶有密封筒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖I至圖4中1、器身，101、第一螺紋孔，102、第二螺紋孔，2、器尾，3、器頭，31、安裝凸臺(tái)，32、止轉(zhuǎn)凸臺(tái)，33、螺紋孔，4、第一壓電陶瓷組，41、第一壓電陶瓷環(huán)，42、第二壓電陶瓷環(huán)，43、第三壓電陶瓷環(huán)，44、第四壓電陶瓷環(huán)，5、第二壓電陶瓷組，51、第五壓電陶瓷環(huán)， 52、第六壓電陶瓷環(huán)，53、第七壓電陶瓷環(huán)，54、第八壓電陶瓷環(huán)，6、第一螺栓，7、第二螺栓，
9、密封筒，11、第一正引出線(xiàn)，12、第一負(fù)引出線(xiàn)，13、第二正引出線(xiàn)，14、第二負(fù)引出線(xiàn)，15、 端板，16、卡簧,17、內(nèi)擋板,18、密封圈，19、外擋板,20、卡簧。
具體實(shí)施例方式如圖I和圖4所示，一種超聲波全波換能器，包括器身I和位于器身I兩側(cè)的器頭3和器尾2，器身I與器尾2之間設(shè)置有第一壓電陶瓷組4，器身I與器頭3之間設(shè)置有第二壓電陶瓷組5，器身I、第一壓電陶瓷組4和器尾2通過(guò)帶帽沿的第一螺栓6以及開(kāi)設(shè)在器身I相應(yīng)端面上的第一螺紋孔101固定在一起，器身I、第二壓電陶瓷組5和器頭3通過(guò)第二螺栓7以及開(kāi)設(shè)在器身I相應(yīng)端面上的第二螺紋孔102和貫穿器頭3的螺紋孔33 固定在一起，第一壓電陶瓷組4和第二壓電陶瓷組5含有相同片數(shù)的壓電陶瓷環(huán)，并且片數(shù)為偶數(shù)，本實(shí)施例中，第一壓電陶瓷組4和第二壓電陶瓷組5均含有四片壓電陶瓷環(huán)，即 第一壓電陶瓷組4含有第一壓電陶瓷環(huán)41、第二壓電陶瓷環(huán)42、第三壓電陶瓷環(huán)43和第四壓電陶瓷環(huán)44，第二壓電陶瓷組5含有第五壓電陶瓷環(huán)51、第六壓電陶瓷環(huán)52、第七壓電陶瓷環(huán)53和第八壓電陶瓷環(huán)54，如圖2所示，每個(gè)壓電陶瓷組中，相鄰壓電陶瓷環(huán)的相同極性的端面貼靠在一起，所有壓電陶瓷環(huán)的相同極性并接在一起，形成壓電陶瓷組的正、負(fù)極，兩兩相鄰的壓電陶瓷組的相反極性相連，從而形成所述振源的正、負(fù)極，即在第一壓電陶瓷組4中，第一壓電陶瓷環(huán)41和第二壓電陶瓷環(huán)42的正極端面貼靠在一起，第二壓電陶瓷環(huán)42與第三壓電陶瓷環(huán)43的負(fù)極端面貼靠在一起，第三壓電陶瓷環(huán)43和第四壓電陶瓷環(huán)44的正極端面貼靠在一起，并且將第一壓電陶瓷環(huán)41、第二壓電陶瓷環(huán)42、第三壓電陶瓷環(huán)43和第四壓電陶瓷環(huán)44的正極通過(guò)第一正引出線(xiàn)11并接在一起，將第一壓電陶瓷環(huán) 41、第二壓電陶瓷環(huán)42、第三壓電陶瓷環(huán)43和第四壓電陶瓷環(huán)44的負(fù)極通過(guò)第一負(fù)引出線(xiàn)12并接在一起，在第二壓電陶瓷組5中，第五壓電陶瓷環(huán)51和第六壓電陶瓷環(huán)52的正極端面貼靠在一起，第六壓電陶瓷環(huán)52與第七壓電陶瓷環(huán)53的負(fù)極端面貼靠在一起，第七壓電陶瓷環(huán)53和第八壓電陶瓷環(huán)54的正極端面貼靠在一起，并且，將第五壓電陶瓷環(huán)51、 第六壓電陶瓷環(huán)52、第七壓電陶瓷環(huán)53和第八壓電陶瓷環(huán)54的正極通過(guò)第二正引出線(xiàn)13 并接在一起，將第五壓電陶瓷環(huán)51、第六壓電陶瓷環(huán)52、第七壓電陶瓷環(huán)53和第八壓電陶瓷環(huán)54的負(fù)極通過(guò)第二負(fù)引出線(xiàn)14并接在一起，第一正引出線(xiàn)11與第二負(fù)引出線(xiàn)14相連，第一負(fù)引出線(xiàn)12與第二正引出線(xiàn)13相連；所述的器身I、器頭3和器尾2均為圓柱體， 其直徑以及壓電陶瓷環(huán)的外徑均<超聲波波長(zhǎng)的四分之一，第二壓電陶瓷組5與器身I的組合體對(duì)應(yīng)于二分之一波長(zhǎng)，第一壓電陶瓷組4與其外側(cè)部分的組合體對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)，這里所述的第一壓電陶瓷組4的外側(cè)部分是指器尾2和第一螺栓6的帽沿部分，器頭3 對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)；本實(shí)施例中，所述器頭3由位于內(nèi)側(cè)較粗的連接部和位于外側(cè)較細(xì)的發(fā)射部構(gòu)成，發(fā)射部的橫截面積與連接部的橫截面積之比為I : I. 5 2。如圖I所示，實(shí)際制作時(shí)，首先確定器身I、器頭3、器尾2以及第一螺栓6和第二螺栓7的材質(zhì)，假設(shè)，器身I的材質(zhì)為招，、器頭3、器尾2的材質(zhì)為鈦合金,第一螺栓6和第二螺栓7的材質(zhì)為鋼，其次，確定超聲波的頻率，假定超聲波的頻率為f，然后，選定壓電陶瓷環(huán)的規(guī)格以及每個(gè)壓電陶瓷組中壓電陶瓷環(huán)的片數(shù)，這樣，第一壓電陶瓷組4和第二壓電陶瓷組5的高度LI和L5就確定了，將頻率為f的超聲波在壓電陶瓷中的傳輸速度vl + f， 得到相應(yīng)于頻率為f的超聲波一個(gè)全波的波長(zhǎng)λ的壓電陶瓷材料的高度hl，由于LI = L5， 因此，Ll+hl就可知道，第一壓電陶瓷組4和第二壓電陶瓷組5相當(dāng)于波長(zhǎng)的比值gl，由于第二壓電陶瓷組5與器身I的組合體相當(dāng)于波長(zhǎng)λ的比值為二分之一，這樣，將二分之一減去第二壓電陶瓷組5相當(dāng)于波長(zhǎng)的比值gl，得到器身I相應(yīng)于波長(zhǎng)的比值g2，將頻率為 f的超聲波在鋁質(zhì)材料中的傳輸速度v2 + f得到相應(yīng)于頻率為f的超聲波一個(gè)全波的波長(zhǎng) λ的鋁質(zhì)材料的高度h2，h2Xg2就可得到器身I的高度LO ;器頭3的高度L6的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，將頻率為f的超聲波在鈦合金材料中的傳輸速度v3 + f得到相應(yīng)于頻率為f的超聲波一個(gè)全波的波長(zhǎng)λ的鈦合金材料的高度h3，h3的四分之一就是器頭3的高度L6 ;器頭 3的高度L2和L3之和的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，首先，將頻率為f的超聲波在鋼質(zhì)材料中的傳輸速度v3 + f得到相應(yīng)于頻率為f的超聲波一個(gè)全波的波長(zhǎng)λ的鋼質(zhì)材料的高度h4，用 L4 + h4得到第一螺栓6的帽沿相當(dāng)于波長(zhǎng)的比值g3，用四分之一減去gl和g3得到g4，L2 =g4Xh3, L3 ^ g3Xh3。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常將器身I、器尾2以及第一壓電陶瓷組4和第二壓電陶瓷組5套裝在如圖3和圖4所示的密封筒9中，所述器頭3的外周壁上設(shè)置有與密封筒9相配合的階梯狀的安裝凸臺(tái)31，密封筒9內(nèi)壁在兩端分別設(shè)置有安裝孔，器頭3的安裝凸臺(tái)31套在密封筒9相應(yīng)一側(cè)的安裝孔中，并且，該安裝孔中在安裝凸臺(tái)31的兩側(cè)分別設(shè)置有內(nèi)、外擋板17和19，在安裝凸臺(tái)31與密封筒9之間設(shè)置有密封圈18，該安裝孔在外擋板19的外側(cè)開(kāi)設(shè)有卡簧槽，卡簧槽中卡設(shè)有卡簧20，密封筒9另一側(cè)的安裝孔中設(shè)置有端板15，在端板 15的外側(cè)開(kāi)設(shè)有卡簧槽，卡簧槽中卡設(shè)有卡簧16，端板15中開(kāi)設(shè)有安裝兩個(gè)接線(xiàn)柱的安裝孔和固定螺紋孔，其中，一個(gè)接線(xiàn)柱用于連接第一正引出線(xiàn)11和第二負(fù)引出線(xiàn)14，另一個(gè)接線(xiàn)柱用于連接第一負(fù)引出線(xiàn)12和第二正引出線(xiàn)13。
權(quán)利要求
1.超聲波換能器中的振源，包括偶數(shù)個(gè)間隔直線(xiàn)布置的壓電陶瓷組，其特征在于所述壓電陶瓷組含有相同片數(shù)的壓電陶瓷環(huán)，并且片數(shù)為偶數(shù)，每個(gè)壓電陶瓷組中，相鄰壓電陶瓷環(huán)的相同極性的端面貼靠在一起，所有壓電陶瓷環(huán)的相同極性并接在一起，形成壓電陶瓷組的正、負(fù)極，兩兩相鄰的壓電陶瓷組的相反極性相連，從而形成所述振源的正、負(fù)極。
2.超聲波全波換能器，包括振源和振動(dòng)體，其特征在于所述的振動(dòng)體包括器身以及位于器身兩側(cè)的器頭和器尾，所述的振源包括一對(duì)具有權(quán)利要求I所述結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷組即第一壓電陶瓷組和第二壓電陶瓷組，第一壓電陶瓷組設(shè)置在器身與器尾之間，第二壓電陶瓷組設(shè)置在器身與器頭之間；所述的器身、器頭和器尾均為圓柱體，其直徑以及壓電陶瓷環(huán)的外徑均 < 超聲波波長(zhǎng)的四分之一，第二壓電陶瓷組與器身的組合體對(duì)應(yīng)于二分之一波長(zhǎng)，第一壓電陶瓷組與其外側(cè)部分的組合體對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)，器頭對(duì)應(yīng)于四分之一波長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求2所述的全波換能器，其特征在于所述器頭由位于內(nèi)側(cè)較粗的連接部和位于外側(cè)較細(xì)的發(fā)射部構(gòu)成，發(fā)射部的橫截面積與連接部的橫截面積之比為I :1.5 2。
4.如權(quán)利要求2或3所述的全波換能器，其特征在于所述的全波換能器還包括有密封筒，所述的器身、器尾和兩個(gè)壓電陶瓷組套裝在密封筒中，所述器頭的外周壁上設(shè)置有與密封筒相配合的階梯狀的安裝凸臺(tái)，安裝凸臺(tái)與密封筒之間設(shè)置有密封圈。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可以提高功率的超聲波換能器中的振源，包括偶數(shù)個(gè)間隔直線(xiàn)布置的壓電陶瓷組，壓電陶瓷組含有相同片數(shù)的壓電陶瓷環(huán)，并且，片數(shù)為偶數(shù)，每個(gè)壓電陶瓷組中，相鄰壓電陶瓷環(huán)的相同極性的端面貼靠在一起，所有的壓電陶瓷環(huán)的相同極性并接在一起，形成壓電陶瓷組的正、負(fù)極，兩兩相鄰的壓電陶瓷組的相反極性相連，形成所述振源的正、負(fù)極。本發(fā)明還公開(kāi)了一種采用這種結(jié)構(gòu)的振源形成的全能換能器。采用該全能換能器制成的超聲波發(fā)生器，可廣泛應(yīng)用于焊接、切削、粉碎、噴涂以及提練、手術(shù)、磨削和清洗等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B06B1/06GK102601033SQ20121008576
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者丁國(guó)民, 丁景超 申請(qǐng)人:張家港睿能科技有限公司