CN110052390B - 一种超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波换能器，包括前盖板、后盖板及预应力螺栓，前盖板与后盖板之间设置有压电陶瓷片及导电极片，前盖板的后端面开设有第一内螺孔，后盖板、压电陶瓷片及导电极片上均开设有通孔，预应力螺栓的螺杆穿过通孔后与前盖板的第一内螺孔固定连接，前盖板由前盖板外周沿沿径向向外延伸有法兰结构，法兰结构上具有圆周内壁面，圆周内壁面上开设有法兰内螺纹，后盖板的后端面与所述预应力螺栓的螺帽之间设置有弹簧垫圈。较现有设计，该种超声波换能器具有结构简单、实施容易、实施成本低、内部受力均匀、电声转换效率更高、使用寿命长、结构简单、灵活、稳定性好、向外传递振动少、性能稳定性高等现有同类产品所不具备的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声波应用领域的产品，特别是一种超声波换能器。
背景技术
高功率超声波换能器被广泛地应用于塑料焊接，金属焊接和清洗等领域。高性能的超声波换能器是这些应用的核心部件。夹心式超声波换能器因其简单的结构被广泛地应用于产生纵向振动。
纵向振动的超声波换能器通常由前盖板，压电陶瓷片，金属导电极片，后盖板和用于锁紧上述部件的预应力螺栓组成。前盖板的设计决定了超声波纵向振动的输出，因此对超声波换能器的整体性能有巨大的影响。许多超声波换能器中的前盖板由于设计缺陷，容易产生裂纹。
通常超声波纵向振动系统通过靠近驻波振动的节点处延申出的法兰与外部加持结构连接进行固定。由于法兰具有一定的厚度，因此纵向的波振动会传递到法兰和与法兰相连的外部结构中。
这种由超声波振动模块向外传递的振动不仅会使得纵向振动的声波的能量减低，还会引起法兰和外壳等外部结构的振动。向外传递的振动会使得相连接的外部加持结构的寿命降低，也会使超声波系统温度升高，进一步影响性能。此外，外部加持结构的振动会影响超声波焊接系统的性能，影响焊接的质量。
在实际应用和设计中，这种振动向外的传递是不可避免地。所以需要通过有效的设计方案来减弱其对超声波系统的影响。
另外，由于压电陶瓷片的抗拉强度远低于其抗压强度，预应力螺杆在压电陶瓷片上施加的压应力可以使得压电陶瓷片即使在振动状态下也保持受压，从而避免断裂。此外，此压应力可以保证整个夹心式换能器各部件之间紧密结合，没有间隙，因此可以提高超声波的传递和超声波换能器的电声转换效率。
由此可见，压电陶瓷片所受到的压应力对换能器的整体性能影响巨大。
由于设计和装配的简便，在通常的超声波换能器的设计中，仅实用一根螺栓穿过整个换能器的中心轴来固定所述各个部件。然而，由于螺栓的直径远小于换能器中的压电陶瓷片的外直径，因此在压电陶瓷片上所产生的压预应力分布是不均匀的。许多研究表明，此种单螺栓夹心式压电换能器中压电陶瓷片所受到的压应力从中心到边缘逐渐递减。边缘处的受压预应力甚至只有中心所受压应力的10％。这种不均匀的受力分布会导致压电陶瓷片在换能器工作时候所受到的力不一样。边缘处甚至会产生拉应力及间隙，进而影响换能器的电声转换效率和寿命。
针对此问题，有人设计出筒式压电换能器。此筒式设计虽然能够使得压应力在压电陶瓷片中的分布更加均匀，但是筒形的设计结构更加复杂，且成本价高。
总之，现有的换能器存在向外传递振动现象严重、容易产生裂纹、预应力螺栓的压力不均、电声转换效率低下、使用寿命短或结构复杂、实施成本高等技术缺陷。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的技术方案以解决现存的技术缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超声波换能器，解决了现有技术存在的换能器稳定性差、向外传递振动现象严重、工作质量低、容易产生裂纹、内部受力不均、电声转换效率低下、使用寿命短等技术缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超声波换能器，包括前盖板、后盖板及预应力螺栓，所述前盖板与后盖板之间设置有压电陶瓷片及导电极片，前盖板的后端面开设有与所述预应力螺栓螺纹配合的第一内螺孔，所述后盖板、压电陶瓷片及导电极片上均开设有供所述预应力螺栓的螺杆穿过的通孔，所述预应力螺栓的螺杆穿过后盖板、压电陶瓷片及导电极片的通孔后与前盖板的第一内螺孔固定连接，所述前盖板由前盖板外周沿沿径向向外延伸有法兰结构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述法兰结构上具有圆周内壁面，所述圆周内壁面上开设有法兰内螺纹。
作为上述技术方案的进一步改进，所述法兰结构包括法兰内层及法兰外层，法兰内层与法兰外层之间具有环形法兰槽，法兰外层的内壁面为所述的圆周内壁面，所述法兰内螺纹开设于法兰外层内壁面上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述法兰内层的一端通过第一连接部与前盖板固定连接，法兰内层的另一端通过第二连接部与法兰外层的一端连接，法兰内层、法兰内层及第二连接部共同围成所述环形法兰槽；
作为上述技术方案的进一步改进，所述圆周内壁面的中心轴与前盖板的中心轴重合，圆周内壁面上开设的法兰内螺纹为单头螺纹或多头螺纹。
作为上述技术方案的进一步改进，所述法兰结构为弹簧形法兰结构；法兰结构从前盖板的端部位置沿径向向外延伸。
作为上述技术方案的进一步改进，所述后盖板的后端面与所述预应力螺栓的螺帽之间设置有弹簧垫圈。
作为上述技术方案的进一步改进，所述弹簧垫圈为碟形垫圈，弹簧垫圈具有一个或多个；
作为上述技术方案的进一步改进，所述弹簧垫圈的内径小于预应力螺栓的螺帽的内切圆直径并略大于预应力螺栓的螺柱的直径；弹簧垫圈的外径大于预应力螺栓的螺帽的外接圆直径并小于后盖板后端面的直径。
作为上述技术方案的进一步改进，所述导电极片与压电陶瓷片间隔叠放。
作为上述技术方案的进一步改进，所述压电陶瓷片及导电极片均为带有引脚的圆环形片体。
作为上述技术方案的进一步改进，所述前盖板的前端面开设有用于与变幅杆或者焊头连接的第二内螺孔。
作为上述技术方案的进一步改进，所述预应力螺栓为螺柱与螺帽一体成型式的螺栓或螺柱与螺帽分体式的组合螺栓。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种超声波换能器，该种超声波换能器在前盖板上设置有法兰结构并在法兰结构上设置有法兰内螺纹，在安装应用时，采用法兰内螺纹与外部壳体等连接部件进行固定连接，该种连接结构使得外部壳体等连接结构不会对前盖板及法兰结构形成约束固定，有效减弱前盖板在工作时向外传递振动的现象，在应用过程中可减少整个超声波振动系统的发热和疲劳所引起的开裂的情况，延长了产品的使用寿命，提升了加工质量及能量传递效率；另外，所述预应力螺栓的螺帽与后盖板的后端面之间设置有弹簧垫圈，盖弹簧垫圈可使得预应力螺栓对后盖板的应力更加均匀，进一步使得换能器的电声转换效率更高，也有效降低压电陶瓷片因受力不均而产生断裂的概率，有效延长换能器的使用寿命；整体上，该种换能器的结构简单、实施方便，有助于降低实施难度及实施成本。
综上，该种超声波换能器从本质上解决了现有技术存在的结构存在缺陷、向外传递振动现象严重、工作质量低、容易产生裂纹、内部受力不均、电声转换效率低下、使用寿命短等技术缺陷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1的装配示意图；
图2是本发明实施例1的爆炸图；
图3是本发明实施例1的结构剖视图；
图4是本发明中前盖板的结构剖视图；
图5是本发明实施例2的装配示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合，参照图1-5。
具体参照图1、图2、图3，本发明提供了一种超声波换能器，包括前盖板1、后盖板2及预应力螺栓3，所述前盖板1及后盖板2的材质可选用铝合金、钛合金及钢等材质，所述预应力螺栓3的材料为高强度钢，所述前盖板1与后盖板2之间设置有压电陶瓷片4及导电极片5，所述导电极片5与压电陶瓷片4间隔叠放，所述压电陶瓷片4及导电极片5均为带有引脚的圆环形片体，所述后盖板2、压电陶瓷片4及导电极片5上均开设有供所述预应力螺栓3的螺杆穿过的通孔，前盖板1的后端面开设有与所述预应力螺栓3螺纹配合的第一内螺孔11，所述预应力螺栓3的螺杆穿过后盖板2、压电陶瓷片4及导电极片5的通孔后与前盖板1的第一内螺孔11固定连接。
所述后盖板2的后端面与所述预应力螺栓3的螺帽之间设置有弹簧垫圈6，所述弹簧垫圈6可根据情况选择一个或多个，在本实施例中，所述弹簧垫圈6为碟形垫圈；所述弹簧垫圈6的内径小于预应力螺栓3的螺帽的内切圆直径并略大于预应力螺栓3的螺柱的直径；弹簧垫圈6的外径大于预应力螺栓3的螺帽的外接圆直径并小于后盖板2后端面的直径。
在本实施例中，所述弹簧垫圈6的外径的大小优选为预应力螺栓3的螺帽的外接圆直径及后盖板2后端面的直径的中间值。
换能器在未组装状态下，碟形垫圈具有拱形形状。在装配后，由于预应力螺栓3所施加的预应力，使得碟形垫圈变得平整，且其下表面全部与后盖板2接触。虽然碟形垫圈的下表面与后盖板2的上表面全部接触，但由于碟形垫圈是被压平的，因此碟形垫圈与后盖板2的接触面上的应力分布是不均匀的。应力最大处应为所述碟形垫圈外直径的外沿。因为此接触外沿位于所述后盖板2的径向厚度约一半的地方，所以可以使得预应力螺栓3所产生的压应力在换能器内部的径向分布更加均匀。压应力的均匀分布不仅可以使得换能器的电声转换效率更高，且能减少换能器中压电陶瓷片4断裂的几率。
优选地，所述预应力螺栓3为螺柱与螺帽一体成型式的螺栓或螺柱与螺帽分体式的组合螺栓，在本实施例中，所述预应力螺栓3为螺柱与螺帽一体成型式的螺栓。实施者可以根据实际的实施环境旋转合适的螺栓样式。
优选地，所述前盖板1的前端面开设有用于与变幅杆或者焊头连接的第二内螺孔12，所述第二内螺孔12与所述第一内螺孔11可以互相连通或互不连通，在本实施例中，所述第二内螺孔12与所述第一内螺孔11相互连通。
优选地，所述前盖板1沿径向向外延伸的法兰结构7，所述法兰结构7从前盖板1的端部位置沿径向向外延伸；所述法兰结构7为弹簧形法兰结构，所述弹簧形法兰结构为与前盖板1弹性连接的法兰结构，弹簧形法兰结构通过至少两层结构实现弹性连接。所述前盖板1与法兰结构7为一体成型结构，所述法兰结构7上具有圆周内壁面，所述圆周内壁面上开设有法兰内螺纹8，所述圆周内壁面的中心轴与前盖板1的中心轴重合，圆周内壁面上开设的法兰内螺纹8为单头螺纹或多头螺纹。
在安装应用时，采用法兰内螺纹与外部壳体等连接部件进行固定连接，该种连接结构使得外部壳体等连接结构不会对振动主体及法兰结构形成约束，在应用过程中可减少整个超声波振动系统的发热和疲劳所引起的开裂的情况，延长了产品的使用寿命，提升了加工质量及能量传递效率。
具体实施本技术方案时，所述前盖板1及法兰结构7的材质可以选用铝合金、钛合金、钢等合适的材料，实施者可以根据实际的需要和综合考量后选取合适的材料作为前盖板1及法兰结构7的基材。
通过外部的连接壳体与所述法兰内螺纹8进行固定连接，外部连接壳体端部设置有与所述法兰内螺纹8配合的外螺纹，该种螺纹连接结构使得外部的连接部件不会对前盖板1及法兰结构7产生结构上的约束，有助于减少向外传递振动，在应用过程中可减少整个超声波振动系统的发热和疲劳所引起的开裂的情况，延长了产品的使用寿命，提升了加工质量及能量传递效率。
在本实施例中，所述法兰结构7包括法兰内层71及法兰外层72，法兰内层71与法兰外层72之间具有环形法兰槽73，法兰外层72的内壁面为所述的圆周内壁面，所述法兰内螺纹8开设于法兰外层72内壁面上，所述法兰内层71的一端通过第一连接部711与前盖板1固定连接，法兰内层71的另一端通过第二连接部721与法兰外层72的一端连接，法兰内层71、法兰内层72及第二连接部721共同围成所述环形法兰槽73。
在其他实施方式中，所述法兰结构7还可以为三层或以上的弹簧形法兰结构，所述法兰内螺纹8开设在法兰结构7的最外层的圆周内壁面上。
在具体应用时，所述超声波振动模块为超声波换能器的前盖板或变幅杆。
具体参照图3，
在一个实施例中，在本实施例中，所述导电极片5具有两片，分别为正极片及负极片，压电陶瓷片4具有两片。在组装时，前盖板1的后端面放置第一片压电陶瓷片4，第一片压电陶瓷片4后放置第一片导电极片5，第一片导电极片5后放置第二片压电陶瓷片4，第二片压电陶瓷片4后放置第二片导电极片5，第二片后与前盖板1后端面之间设置有一片压电陶瓷片4，正极片与负极片之间设置有压电陶瓷片4。
具体参照图5，在另一个实施例中，所述压电陶瓷片4及导电极片5均具有四片，四片导电极片5包括两片正极片及两片负极片，正极片与负极片间隔设置，相邻的两片导电极片5之间设置有压电陶瓷片4，第一片导电极片5与前盖板1后端面之间设置有一片压电陶瓷片4，后盖板6压紧在最后一片导电极片5上，所述预应力螺栓7依次穿过后盖板6及导电极片5、压电陶瓷片4的中心孔后与前盖板1的内螺孔螺纹连接。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种超声波换能器，其特征在于：包括前盖板(1)、后盖板(2)及预应力螺栓(3)，所述前盖板(1)与后盖板(2)之间设置有压电陶瓷片(4)及导电极片(5)，前盖板(1)的后端面开设有与所述预应力螺栓(3)螺纹配合的第一内螺孔(11)，所述后盖板(2)、压电陶瓷片(4)及导电极片(5)上均开设有供所述预应力螺栓(3)的螺杆穿过的通孔，所述预应力螺栓(3)的螺杆穿过后盖板(2)、压电陶瓷片(4)及导电极片(5)的通孔后与前盖板(1)的第一内螺孔(11)固定连接，所述前盖板(1)由前盖板(1)外周沿沿径向向外延伸有法兰结构(7)；所述法兰结构(7)上具有圆周内壁面，所述圆周内壁面上开设有法兰内螺纹(8)；所述法兰结构(7)为弹簧形法兰结构；法兰结构(7)从前盖板(1)的端部位置沿径向向外延伸；所述法兰结构(7)包括法兰内层(71)及法兰外层(72)，法兰内层(71)与法兰外层(72)之间具有环形法兰槽(73)，法兰外层(72)的内壁面为所述的圆周内壁面，所述法兰内螺纹(8)开设于法兰外层(72)内壁面上。
2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述法兰内层(71)的一端通过第一连接部(711)与前盖板(1)固定连接，法兰内层(71)的另一端通过第二连接部(721)与法兰外层(72)的一端连接，法兰内层(71)、法兰外 层(72)及第二连接部(721)共同围成所述环形法兰槽(73)；
所述圆周内壁面的中心轴与前盖板(1)的中心轴重合，圆周内壁面上开设的法兰内螺纹(8)为单头螺纹或多头螺纹。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述后盖板(2)的后端面与所述预应力螺栓(3)的螺帽之间设置有弹簧垫圈(6)，述弹簧垫圈(6)为碟形垫圈。
4.根据权利要求3所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述弹簧垫圈(6)为碟形垫圈，弹簧垫圈(6)具有一个或多个；
所述弹簧垫圈(6)的内径小于预应力螺栓(3)的螺帽的内切圆直径并略大于预应力螺栓(3)的螺柱的直径；弹簧垫圈(6)的外径大于预应力螺栓(3)的螺帽的外接圆直径并小于后盖板(2)后端面的直径。
5.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述导电极片(5)与压电陶瓷片(4)间隔叠放。
6.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述前盖板(1)的前端面开设有用于与变幅杆或者焊头连接的第二内螺孔(12)。
7.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述预应力螺栓(3)为螺柱与螺帽一体成型式的螺栓或螺柱与螺帽分体式的组合螺栓。
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