CN104646477A - 一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，包括下座，下座向上安装有多根导柱，有上座活动穿装在该多根导柱上，导柱上螺纹连接有用于向下推动上座移动的旋钮，所述下座向上安装有圆柱台和导向座，圆柱台的顶端设置有球形槽，球形槽处放置有压力球，所述导向座上设置有通孔，所述通孔包括相互连通的柱台导向圆孔和换能器导向圆孔，导向座在柱台导向圆孔处的内壁与圆柱台的外侧接触，所述换能器导向圆孔用于使超声换能器的压电片的整个侧壁贴着导向座在换能器导向圆孔处的内壁移动以接触到压力球，所述换能器导向圆孔的轴线穿过压力球的球心。本成形工装结构简单，容易在声学镊子上形成聚焦球面。

Description

一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法

技术领域

本发明属于超声换能器领域，更具体地，涉及一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法。

背景技术

声学镊子简称声学镊子，是近年来高频超声换能器应用研究的热点之一。与光学镊子(简称光镊)原理类似，声学镊子是利用声学辐射力，通过发射高度聚焦的超声束，来对微小物体产生吸引力，从而实现对微小物体的捕获与操纵。成功自如地捕获和操纵微小物体对生物细胞研究意义重大。光镊的不足之处在于：1)能量较高，会引起被捕获物体局部过热，从而造成细胞死亡；2)力量较小，难以捕获和移动几十微米或者上百微米的生物细胞。声学镊子与光镊相比，能量较小，力量较大，刚好能弥补光镊的不足，所以在生物细胞的研究中应用前景广阔。

高度聚焦的超声换能器是声学镊子的基础，超声换能器工作频率越高，发出超声波波长越短，越适合微小物体的捕获和操纵。通常f#≈1(f#为压电材料尺寸与焦距比值)。超声聚焦的方法主要有装配声透镜和压力聚焦两种，装配声透镜很难实现f#≈1，所以压力聚焦是一种不错的选择。压力聚焦的原理是利用不锈钢压力球对超声换能器表面压力作用，使压电片形成聚焦球面，以达到聚焦的目的。整个压力聚焦过程中，压力球是否处于超声换能器中心是最终结果能否得到均匀声场并实现微小物体的捕获和操纵的关键。

现有的压力聚焦还在探索之中，存在很多问题，如难以对准，对很多材料来说效果很差，难以实现f#值接近于1。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法，其工装结构简单，容易在超声换能器的压电片上形成聚焦球面，其方法形成的聚焦球面容易使超声换能器实现准确的压力聚集。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，包括下座，所述下座向上安装有多根导柱，有上座活动穿装在该多根导柱上，所述导柱上螺纹连接有用于向下推动上座移动的旋钮，所述下座向上安装有圆柱台和导向座，圆柱台和导向座均位于上座和下座之间，圆柱台的轴线竖直设置，圆柱台的顶端设置有与超声换能器的压电片的半径一致的球形槽，球形槽处放置有与球形槽的半径一致的压力球，压力球的上端露出球形槽，所述导向座上设置有通孔，所述通孔包括相互连通的柱台导向圆孔和换能器导向圆孔，导向座在柱台导向圆孔处的内壁与圆柱台的外侧接触，所述换能器导向圆孔用于使超声换能器的压电片并贴着导向座在换能器导向圆孔处的内壁移动以接触到压力球，所述换能器导向圆孔的轴线穿过压力球的球心。

优选地，所述下座的顶端安装有支座，所述圆柱台通过支座安装在下座上。

优选地，所述柱台导向圆孔和换能器导向圆孔同轴。

优选地，所述柱台导向圆孔的直径大于换能器导向圆孔的直径。

按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用成形工装进行声学镊子压力聚焦球面成形的方法，包括以下步骤：

1)将超声换能器的压电片贴着导向座在换能器导向圆孔处的内壁向下移动，直至压电片接触压力球，超声换能器的压电片的外径与换能器导向圆孔的直径相等；

2)将工装和超声换能器一起放入恒温烘箱中加热，然后取出并拧动旋钮，使旋钮向下推动上座，上座带动超声换能器向下移动，压力球使超声换能器的压电片产生变形；

3)重复步骤2)，直至超声换能器的压电片达到变形极限，然后从工装上取出超声换能器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明采用同轴的原理，其成形装置结构简单。相比于其他譬如装配声透镜(lens)工艺方法，本成形方法更加简单，比采用lens的工艺方法来成形聚焦球面更便宜，本方法可以取代装配声透镜(lens)工艺方法。另外，本成形方法能保证小球与超声换能器中心能够准确对准，容易在超声换能器的压电片正中心上形成聚焦球面；通过可控的压力装置，使聚焦球面的弯曲程度达到较大值，使得F#更接近于1。总之，这种方法简单，容易实现，形成的聚焦球面容易使超声换能器压电片中心实现准确的压力聚焦。

附图说明

图1是本发明中成形工装工作时结构示意图；

图2是图1的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2所示，一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，包括下座1，所述下座1向上安装有多根导柱2，有上座3活动穿装在该多根导柱2上，所述导柱2上螺纹连接有用于向下推动上座3移动的旋钮4，所述下座1向上安装有圆柱台5和导向座6，圆柱台5和导向座6均位于上座3和下座1之间，圆柱台5的轴线竖直设置，圆柱台5的顶端设置有与超声换能器7的压电片的半径一致的球形槽，球形槽处放置有与球形槽的半径一致的压力球8，压力球8的上端露出球形槽，压力球8放置球形槽中，无论施加多大压力，压力球8都不会移动。所述导向座6上设置有通孔，所述通孔包括相互连通的柱台导向圆孔61和换能器导向圆孔62，所述柱台导向圆孔61和换能器导向圆孔62同轴。导向座6在柱台导向圆孔61处的内壁与圆柱台5的外侧接触，所述换能器导向圆孔62用于使超声换能器7的压电片的整个外侧壁贴着导向座6在换能器导向圆孔62处的内壁移动以接触到压力球8，所述换能器导向圆孔62的轴线穿过压力球8的球心，因此，压电片的轴线与换能器导向圆孔62的轴线同轴，二者的轴线均穿过压力球8的球心。优选地，所述柱台导向圆孔61的直径大于换能器导向圆孔62的直径，这样圆柱台5可以更好地固定住导向座6，使导向座6不容易晃动，不会影响到超声换能器7上的聚焦球面的成形。其中，柱台导向圆孔61内套装上圆柱台5以后剩下空间的轴向长度越小越好，换能器导向圆孔62的长度越长越好，这样便于压力球8与超声换能器7精确对准。

优选地，所述下座1的顶端安装有支座9，所述圆柱台5通过支座9安装在下座1上。支座9粘贴在下座1上，或者通过螺栓固定在下座1上。支座9在超声换能器7的聚焦球面的成形过程中会经常受到压力作用，时间长了以后也会变形，因此可以方便地更换支座9。

一种声学镊子压力聚焦球面的成形方法，包括以下步骤：

1)将超声换能器7的压电片贴着导向座6在换能器导向圆孔62处的内壁向下移动，直至压电片接触压力球8；此时超声换能器7在上座3的下方，上座3的底端面与超声换能器7接触，超声换能器7的压电片的外径与换能器导向圆孔62的直径相等；；

2)将工装和超声换能器7一起放入恒温烘箱中，在60～100℃加热10分钟以上，然后取出并拧动旋钮4，使旋钮4向下推动上座3，上座3带动超声换能器7向下移动，压力球8使超声换能器7的压电片产生变形；对于加热温度，首选的温度是60℃，因为超声换能器7上将导线粘在一起所用的固定胶的软化温度约为60℃。

3)重复步骤2)，直至超声换能器7的压电片达到变形极限，即压电片无法再进行变形了；然后再从工装上取出超声换能器7，压电片上的聚焦球面就完全成形成了。

本发明的成形工装结构简单，容易实现准确的压力聚焦，通过该工装使得f#接近于1，很适合微小物体的捕获和操纵。本发明利用严格的尺寸匹配和各部件的同轴关系，在成形工装的作用下，保证超声换能器7的压电片均匀受力，能实现超声换能器7的压力聚焦。本发明提供的成形方法不仅能使超声换能器7的压电片的轴线始终穿过压力球8的球心，而且可以调节超声换能器7与压力球8之间的压力；该方法简便，行之有效，是能实现超声换能器7的准确的压力聚焦。

本发明采用压力球8，通过一些定位装置使超声换能器7的压电片的轴线始终穿过压力球8球心来实现；在支座9上设置一个圆柱台5，圆柱台5的顶端加工出一个球形槽，与球形槽的半径一致的压力球8置于其内；一个特制的导向座6将圆柱台5套住，导向座6的柱台导向圆孔61的半径与圆柱台5的半径相等，导向座6上的换能器导向圆孔62恰好容超声换能器7的压电片进入，且与圆柱台5和柱台导向圆孔61同轴。

本发明利用同轴的对准方式，当压力球8固定在圆柱台5上后，利用一个与圆柱台5配套的导向座6，让压力球8和超声换能器7的压电片实现对准。对准之后，旋转旋钮4，超声换能器7的压电片就会发生变形，从而实现准确的压力聚焦。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，其特征在于：包括下座(1)，所述下座(1)向上安装有多根导柱(2)，有上座(3)活动穿装在该多根导柱(2)上，所述导柱(2)上螺纹连接有用于向下推动上座(3)移动的旋钮(4)，所述下座(1)向上安装有圆柱台(5)和导向座(6)，圆柱台(5)和导向座(6)均位于上座(3)和下座(1)之间，圆柱台(5)的轴线竖直设置，圆柱台(5)的顶端设置有半径与超声换能器(7)的压电片的直径相等的球形槽，球形槽处放置有与球形槽的半径一致的压力球(8)，压力球(8)的上端露出球形槽，所述导向座(6)上设置有通孔，所述通孔包括相互连通的柱台导向圆孔(61)和换能器导向圆孔(62)，导向座(6)在柱台导向圆孔(61)处的内壁与圆柱台(5)的外侧接触，所述换能器导向圆孔(62)用于使超声换能器(7)的压电片贴着导向座(6)在换能器导向圆孔(62)处的内壁移动以接触到压力球(8)，所述换能器导向圆孔(62)的轴线穿过压力球(8)的球心。

2.根据权利要求1所述的一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，其特征在于：所述下座(1)的顶端安装有支座(9)，所述圆柱台(5)通过支座(9)安装在下座(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，其特征在于：所述柱台导向圆孔(61)和换能器导向圆孔(62)同轴。

4.根据权利要求1所述的一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，其特征在于：所述柱台导向圆孔(61)的直径大于换能器导向圆孔(62)的直径。

5.一种利用权利要求1～4中任一权利要求所述的成形工装进行声学镊子压力聚焦球面成形的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将超声换能器(7)的压电片穿过导向座(6)在换能器导向圆孔(62)处的内壁向下移动，直至压电片接触压力球(8)，超声换能器(7)的压电片的外径与换能器导向圆孔(62)的直径相等；

2)将工装和超声换能器(7)一起放入恒温烘箱中加热，然后取出并拧动旋钮(4)，使旋钮(4)向下推动上座(3)，上座(3)带动超声换能器(7)向下移动，压力球(8)使超声换能器(7)的压电片产生变形；

3)重复步骤2)，直至超声换能器(7)的压电片达到变形极限，然后从工装上取出超声换能器(7)。