CN103182372A - 一种超声波发射压电元件 - Google Patents

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唐浩
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Abstract

本发明一种超声波发射压电元件属于超声波领域，一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片组成,压电振动片是由压电陶瓷片和金属电极层组成，压电振动片固定安装在配重质量片上,压电振动片由一个压电陶瓷片和压电陶瓷片的金属电极层组成,本发明可以有效降低压电振动片背面产生的振动，减少了压电振动片无效能量的损耗，从而可以达到降低压电振动片发热量，使用较低功率驱动的目的。本发明结构简单、性能可靠，节约成本、使用寿命延长。

Description

一种超声波发射压电元件
技术领域
本发明一种超声波发射压电元件属于超声波领域，特别是涉及一种发射面自由的通过发射超声波来工作的超声波发射压电元件。
背景技术
超声波发射压电元件一般由一个片状的压电陶瓷片和位于该片状压电陶瓷片上、下表面的两个金属电极面组成，片状压电陶瓷片在上、下表面在交变电场的作用下会产生相对于中心线对称的上、下振动，这种振动的能量以超声波的形式通过气体、液体或固体媒质向外界传播。由于普通发射型压电元件的上下表面的振动是对称的，因此其中心面保持静止，超声波则同时向上下两个方向发射。在一般情况下，只需要用到其中一个方向的超声波，其相反方向的超声波信号会被当作无用信号被吸音阻尼材料吸收。这是一种常见的低功率超声波发射压电元件的应用方案，被用在多种压电式传感器的结构设计中。
然而，对于功率型超声波发射压电元件来说（比如超声波雾化片和超声波清洗片），由于超声波发射功率较高，由于反向发射的超声波会导致吸音阻尼材料的温度升高而使吸音材料破坏，上述方案就无法使用。因此，目前的功率型超声波压电元件的背面一般是自由状态。由于超声波传递过程中存在界面效应，金属和水的声阻抗与压电陶瓷的声阻抗比较接近，空气的声阻抗远小于压电元件的声阻抗，因此超声波发射压电元件正面的超声波会比较容易地被传入水中，而背面的超声波能量则只有少部分传入空气，其余大部分热能在压电元件上储存下来。这些热量会使压电元件的温度升高，从而降低压电元件的使用效率和寿命。
为了解决功率型超声波发射压电元件的散热问题，超声波清洗片被直接安装在金属容器的底部，热量通过容器底部传递到清洗液中；超声波雾化片则被安装在一个金属散热底板上，该金属散热底板与加湿器中的水相接触，从而把雾化片产生的热量传递到水中。这两种方案虽然解决了压电元件的散热问题，却会导致容器内液体温度的上升，由于水温上升会导致水的溶解度下降，从而导致水中的矿物质沉淀结垢，因此功率型压电设备的降温问题仍然是困扰该行业的一个难题。特别是在超声波加湿行业，水温的上升还会使水中容易滋生细菌，影响空气质量和人体健康。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处，而提供一种能够减少无效能量的发射与损耗，降低发热量，降低驱动功率,节能型的一种超声波发射压电元件。
本发明的目的是通过以下措施来达到的, 一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片组成, 压电振动片是由压电陶瓷片和金属电极层组成，压电振动片固定安装在配重质量片上。由于压电陶瓷片的变形率是由两个电极层之间的电场强度决定的，在同样的电压条件下，固定压电振动片的一个表面，另一个表面的变形量就会是同样厚度的两面自由的振动片的表面变形量的两倍，同样，在压电振动片一面固定的情况下，只需要向其施加1/2的电压，在其自由面上就可以得到与同样厚度的两面自由的振动片的表面变形量相同的变形量。由于压电振动片的谐振频率与其厚度相关，因此还可以通过调整配重质量片的结构尺寸来调整整个压电发射元件的谐振频率，由于配重质量层不会产生压电变形，在压电振动片振动的过程中，压电振动片与配重质量片相结合的一面就会受到配重质量片惯性的影响，使配重质量片面的振幅减小，而压电振动片的另一个自由面的振幅相应增大。
本发明的压电振动片由一个压电陶瓷片和压电陶瓷片的两面的金属电极层组成, 压电振动片两面各有一层金属电极层，配重质量片是绝缘材料，压电振动片粘贴在配重质量片上，配重质量片和压电陶瓷片之间有一层金属电极层。
本发明的压电振动片由一个压电陶瓷片和压电陶瓷片的一面的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层，压电振动片另一面粘贴在配重质量片上，配重质量片是导电材料。
本发明的压电振动片的可以是一层以上，两层或两层以上的压电振动片贴合在一起，压电振动片固定在配重质量片上，从而在节省能量的同时，还可以进一步降低驱动电压。
本发明的配重质量片可以是具有一定形状的结构，该结构有一个表面与压电振动片贴合在一起。
本发明的一种超声波发射压电元件的制作方法是压电振动片通过粘贴或烧结的方法，固定在配重质量片上, 通过配重质量片调整超声波发射压电元件的谐振频率。配重质量片的刚性和惯性可以减弱压电振动片向下的振动，向上部表面的振幅会远远大于压电振动片下表面的振幅，从而有效减少能量的损耗，同时也降低了超声波发射压电元件的驱动电压，还可以通过调整配重质量片的厚度来调整超声波发射压电元件的谐振频率以达到设计目标要求的谐振频率。
本发明的配重质量片的厚度是压电振动片厚度的0.3～3倍。由于配重质量片的刚度和密度可能与压电陶瓷片不同，因此配重质量片的厚度也会相应的调整，一般来说，配重质量片的厚度是压电振动片厚度的0.5～2倍。
本发明可以有效降低压电振动片背面产生的振动，减少了压电振动片无效能量的损耗，从而可以达到降低压电振动片发热量，使用较低功率驱动的目的。
本发明结构简单、性能可靠，节约成本、使用寿命延长。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明的实施例结构示意图。
附图3是本发明的实施例结构示意图。
附图4是本发明的实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图中：压电陶瓷片1，金属电极层2，配重质量片4，金属电极层21，金属配重质量片5，非金属配重质量片6。
如附图1所示，本发明一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片4组成,压电振动片固定安装在配重质量片上，压电振动片由一个压电陶瓷片1和压电陶瓷片的两面的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层2，压电振动片另一面有一层金属电极层21，配重质量片是绝缘材料，压电振动片粘贴在配重质量片上，配重质量片和压电陶瓷片之间有一层金属电极21。通过配重质量片调整谐振频率，由于配重质量层不会产生压电变形，在压电振动片振动的过程中，压电振动片与配重质量片相结合的一面就会受到配重质量片惯性的影响，使配重质量片接合面面的振幅减小，而压电振动片另一自由表面的振幅相应增大。为了防止金属电极层的表面被氧化和腐蚀，在超声波发射压电元件的正反表面两面可以增加保护层，以提高寿命。
如附图2所示，本发明一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片组成,压电振动片固定安装在配重质量片上，压电振动片由一个压电陶瓷1和压电陶瓷片的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层2，压电振动片另一面粘贴在配重质量片上，配重质量片是金属配重质量片5，金属配重质量片5是导电材料。
如附图3所示，本发明一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片组成,压电振动片固定安装在配重质量片上，压电振动片由一个压电陶瓷1和压电陶瓷片的两面的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层2，压电振动片另一面有一层金属电极层21，配重质量片是非金属配重质量片6，压电振动片粘贴在配重质量片上，配重质量片和压电陶瓷片之间有一层金属电极21。本发明的配重质量片可以是具有一定形状的结构，该结构有一个表面与压电振动片贴合在一起。
如附图4所示，本发明一种超声波发射压电元件包括压电振动片和配重质量片4组成,压电振动片固定安装在配重质量片上，压电振动片是三层的压电振动片贴合在一起，压电振动片由一个压电陶瓷1和压电陶瓷片的两面的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层2，压电振动片另一面有一层金属电极层21，配重质量片是绝缘材料，压电振动片粘贴在配重质量片上，通过配重质量片调整谐振频率，从而在节省能量的同时还可以进一步降低的驱动电压。为了防止表面的金属电极层被氧化和腐蚀，在超声波发射压电元件的正反表面两面可以增加保护层，以提高寿命。

Claims (6)

1.一种超声波发射压电元件，其特征是包括压电振动片和配重质量片组成, 压电振动片是由压电陶瓷片和金属电极层组成，压电振动片固定安装在配重质量片上。
2.根据权利要求1所述的一种超声波发射压电元件，其特征是压电振动片由一个压电陶瓷片和压电陶瓷片的两面的金属电极层组成, 压电振动片两面各有一层金属电极层，配重质量片是绝缘材料，压电振动片粘贴在配重质量片上，配重质量片和压电陶瓷片之间有一层金属电极层。
3.根据权利要求1所述的一种超声波发射压电元件，其特征是压电振动片由一个压电陶瓷片和压电陶瓷片的一面的金属电极层组成, 压电振动片一面有一层金属电极层，压电振动片另一面粘贴在配重质量片上，配重质量片是导电材料。
4.根据权利要求1所述的一种超声波发射压电元件，其特征是压电振动片是两层或两层以上的压电振动片贴合在一起，压电振动片固定在配重质量片上。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种超声波发射压电元件，其特征是配重质量片的厚度是压电振动片厚度的0.5～2倍。
6.一种超声波发射压电元件的制作方法,是压电振动片通过粘贴或烧结的方法，固定在配重质量片上, 通过配重质量片调整超声波发射压电元件的谐振频率，配重质量片的厚度是压电振动片厚度的0.5～2倍。
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