CN204656898U - 一种新型双片夹心式超声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型双片夹心式超声换能器，包括换能器前驱、反射块和压紧螺栓，换能器前驱的端面设置有盲孔，反射块设置有通孔，换能器前驱与反射块之间设置有两个极化方向相反的压电陶瓷圆环，两个压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，反射块与相邻压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，压紧螺栓穿过反射块、环状电极片和压电陶瓷圆环并插入盲孔与换能器前驱固定连接。本实用新型一种新型双片夹心式超声换能器，采用两个晶片的同时保证了换能器的工作效率，稳定性好，节点位置稳定，发热量小，超声输出效率高，使用寿命长。

Description

一种新型双片夹心式超声换能器

技术领域

本实用新型涉及一种换能器，尤其涉及一种超声技术领域的双片夹心式超声换能器。

背景技术

超声波振动系统主要包括发生器、超声换能器、变幅杆、工件，其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超声加工。超声波加工技术广泛应用于工业清洗，金属焊接，食品切割等领域。

在整个超声系统中，换能器是很关键的一个部件。在市场上的大部分换能器结构都使用夹心式的换能器。在这种结构的换能器中，压电陶瓷的片的极化方向与振子的厚度方向一致，压电陶瓷片通过高强度胶或应力螺栓与两端的金属块连接在一起，整个振子的厚度等于基波的半波长，这种换能器的结构的优点在于既利用了压电陶瓷振子的纵向效应，又得到了较低的共振频率。另一方面，由于压电陶瓷本身的特点，即抗张强度差在大功率工作状态下容易发生破裂，通过采用金属块以及预应力螺栓给压电陶瓷片施加预应力，使压电陶瓷片在强烈的振动时始终处于压缩状态，从而避免了压电陶瓷的破裂。另外，由于压电陶瓷属于一种绝缘材料，因此其导热性能很差，在大功率状态下及易发热，从而造成能量的转换效率下降，在夹心式压电换能器中，由于使用了金属前后盖板，换能器的导热性能会得到很大的改善，只要金属材料与压电陶瓷材料的厚度以及横向尺寸选择适当，压电陶瓷材料弹性常数的温度系数可以由金属材料弹性常数的温度系数加以补偿。因此夹心式压电陶瓷换能器的频率可以做得很小，其温度的稳定性也比较好。

但也由于压电陶瓷片的耐压及功率限制，一般来说夹心式换能器普遍采用4片压电陶瓷片的结构。这种结构设计可以使整个换能器承受更大的电压和功率。但由此带来的缺点也很明显。比如：

1.稳定性较差。每片陶瓷晶片的或多或少在各参数上存在差异尤其是电容值，组合的数量越多，整体参数就会差异越明显。这样给组装带来很大麻烦，也同时影响换能器的稳定性。

2.节点位置难确定。由于陶瓷片数量多，各片频率也有差异，使得每一个组装起来的换能器节点相对差异较大。而节点的偏移容易增大换能器的机械损耗，加大换能器工作时的发热量，降低超声输出效率和使用寿命。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种新型双片夹心式超声换能器，稳定性好，节点位置稳定，发热量小，超声输出效率高，使用寿命长。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种新型双片夹心式超声换能器，包括换能器前驱、反射块和压紧螺栓，所述换能器前驱的端面设置有盲孔，所述反射块设置有通孔，所述换能器前驱与所述反射块之间设置有两个极化方向相反的压电陶瓷圆环，所述两个压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，所述反射块与相邻所述压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，所述压紧螺栓穿过所述反射块、环状电极片和压电陶瓷圆环并插入所述盲孔与所述换能器前驱固定连接。

进一步地，所述换能器前驱为圆台状，由铝合金制成，纵向长度为基波的半波长，最大直径为35-45mm。

进一步地，所述反射块为圆柱形，由铜或不锈钢制成，直径与所述压电陶瓷圆环的直径相同，纵向长度与两个压电陶瓷圆环的厚度之和等于基波的半波长。

进一步地，所述压紧螺栓为强度12.9级的M10螺栓，长度为42-44mm。

进一步地，所述压电陶瓷圆环为PTZ-4型压电陶瓷圆环，直径为30-40mm，厚度为3-5mm。

进一步地，所述环状电极片由镍或铜制成，边缘设置有一处尖端凸起。

本实用新型一种新型双片夹心式超声换能器，采用两个晶片的同时保证了换能器的工作效率，稳定性好，节点位置稳定，发热量小，超声输出效率高，使用寿命长。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种新型双片夹心式超声换能器，包括换能器前驱1、反射块2和压紧螺栓3，换能器前驱1的端面设置有盲孔，反射块2设置有通孔，换能器前驱1与反射块2之间设置有两个极化方向相反的压电陶瓷圆环4，两个压电陶瓷圆环4之间设置有一个环状电极片5，反射块2与相邻压电陶瓷圆环4之间设置有一个环状电极片5，压紧螺栓3穿过反射块2、环状电极片5和压电陶瓷圆环4并插入盲孔与换能器前驱1固定连接。

压电陶瓷圆环之间采用特有的机械串联而电路并联的的方式连接，两片晶片(即压电陶瓷圆环，此为惯用代称)的极化方向相反，使得各个晶片的纵向振动能够互相叠加，以保证压电陶瓷晶堆(即压电陶瓷圆环所组成的整体，此为惯用代称)能够协调一致地振动。由于两片晶片相对于多片来说，电参数更容易一致，极大地降低了因换能器本身晶片参数之间的差异而造成的能量损耗，很好地提高了换能器的机电转换效率，减小了大批量换能器制作时的不良率。

换能器前驱为圆台状，由铝合金制成，纵向长度为基波的半波长，最大直径为35-45mm，太小影响晶片的容量，太大又会扩大声波横向振动的影响，增大换能器的机械损耗。换能器前驱为整个换能器振动的节点，换能器在此处的纵向振动位移趋向于零，故此处通过销钉与外部换能器外壳连接时产生机械损耗也趋向于零。

反射块为圆柱形，由铜或不锈钢制成，直径与压电陶瓷圆环的直径相同，纵向长度与两个压电陶瓷圆环的厚度之和等于基波的半波长。

压紧螺栓为强度12.9级的M10螺栓，长度为42-44mm，太长和太短都会导致频率偏移，增大机械损耗。

压电陶瓷圆环为PTZ-4型压电陶瓷圆环，压电常数和机电耦合系数比较高，使换能器能得到比较高的机电转换效率，直径为30-40mm，厚度为3-5mm，太薄会造成片与片之间反射面增多，形成多大反射层，影响超声波的传递，太厚就不易产生激励，降低换能器的效率。

环状电极片由镍或铜制成，边缘设置有一处尖端凸起，尖端直接与电线压合，很好地解决了两种金属不易焊接，易脱落的问题，而且同时提高了整个电极片的导电性能，减小了前期的电损耗，提高了整个换能器的工作效率。为了安全起见，负极的一端连接至换能器外壳，另一端则为正极，同时，环状电极片与压电陶瓷圆环贴合的面镜面抛光，以最大程度的保证超声传递效率。

此结构的换能器稳定性好，各个参数比之传统的结构均有不同程度的提高。选取样品规格为换能器前驱最大直径42mm，压紧螺栓长度43mm，压电陶瓷圆环直径36mm、厚度4mm，阻抗分析仪在小功率测试下各参数的情况如下：

动态电阻R1值可以达到8.2Ω，明显低于两晶片以上的换能器平均12到15Ω的水平，这表示在同等输入电压条件下，该结构的换能器的能量损耗要远小于一般的夹心式换能器；

品质因素Qm值达到了1096，比传统夹心式换能器的800左右的值要高不少，从机电转换效率来看会有15％左右的提升；

自由电容CT、静态电容C0、动态电容C1值分别为3.7nF、3.23nF、0.466nF，除了动态电容值C1相差不大外，另外两项电容值参数与传统夹心式换能器相比均有一定程度的改善，此结构换能器的功率容量较一般结构的换能器的容量要更大；

最大转换值Zmax达到了79.1,相较于普通换能器的60-70,有了明显提高。

本实用新型一种新型双片夹心式超声换能器，采用两个晶片的同时保证了换能器的工作效率，稳定性好，节点位置稳定，发热量小，超声输出效率高，使用寿命长。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型双片夹心式超声换能器，其特征在于：包括换能器前驱、反射块和压紧螺栓，所述换能器前驱的端面设置有盲孔，所述反射块设置有通孔，所述换能器前驱与所述反射块之间设置有两个极化方向相反的压电陶瓷圆环，所述两个压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，所述反射块与相邻所述压电陶瓷圆环之间设置有一个环状电极片，所述压紧螺栓穿过所述反射块、环状电极片和压电陶瓷圆环并插入所述盲孔与所述换能器前驱固定连接；所述换能器前驱为圆台状，由铝合金制成，纵向长度为基波的半波长，最大直径为35-45mm。

2.根据权利要求1所述的一种新型双片夹心式超声换能器，其特征在于：所述反射块为圆柱形，由铜或不锈钢制成，直径与所述压电陶瓷圆环的直径相同，纵向长度与两个压电陶瓷圆环的厚度之和等于基波的半波长。

3.根据权利要求1所述的一种新型双片夹心式超声换能器，其特征在于：所述压紧螺栓为强度12.9级的M10螺栓，长度为42-44mm。

4.根据权利要求1所述的一种新型双片夹心式超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷圆环为PTZ-4型压电陶瓷圆环，直径为30-40mm，厚度为3-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种新型双片夹心式超声换能器，其特征在于：所述环状电极片由镍或铜制成，边缘设置有一处尖端凸起。