CN206500348U - 一种超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超声波换能器，包括换能器本体和调幅器，换能器本体包括后端压块、压电陶瓷组和前驱动块，调幅器包括输入端、增益端和输出端，压电陶瓷组安装在后端压块和前驱动块之间，前驱动块连接输入端，输入端和输出端通过圆弧形的增益端实现过渡连接，输入端的直径大于增益端的直径，压电陶瓷组发生周期性的伸张压缩形变产生超声波振幅，超声波经具有放大弧度的前驱动块一次增益放大后进入调幅器的输入端，传递到弧形的增益端对超声波进行二次增益放大，结构设计合理，增益效果明显，提高换能器的总体振幅，避免材料内部应力的过分集中而损坏换能器，延长使用寿命，此结构改善可使换能器增益不受安装法兰、保护壳等外部安装零件的限制。

Description

一种超声波换能器

技术领域

本实用新型涉及换能器领域，具体涉及一种超声波换能器。

背景技术

超声波换能器是超声波切割、破碎、焊接等设备的核心部件，主要由换能器和调幅器两部分组成，主要功能是在高频高压电源的激励下，通过换能器自身的间谐振动并带动整个换能器共振，从而将电能转换为机械能，其主要工作原理为：在压电陶瓷片两极施加电源电压时，由于压电陶瓷材料的逆圧电效应，压电陶瓷片会沿厚度方向(即换能器的轴向)产生形变，该形变在交变电流的作用下反复伸张圧缩从而将电能转化为机械能。

换能器在工作时，在交变电流的作用下以谐振频率发生周期性的伸张压缩形变，同时也带动调幅器共振，这样换能器和调幅器就各自变成了一个间谐振动单元，换能器受电信号激励，再激励同谐振频率调幅器，两者共振。每个谐振单元在输出轴向振幅的同时，径向也会周期性的产生形变，在单元两端轴向形变最大，径向形变最小，而中间节点位置正相反，轴向形变最小，径向形变最大，谐振单元的结构增益与节点两端的质量比成正比，超声波换能器产生振幅的大小既取决于换能器和调幅器各自的结构增益，同时和施加的电压高低有关，输出振幅影响超声波换能器的输出功率，电压越高，振幅越大，可输出功率也越高。

如果通过结构增益增大振幅会引起材料内部应力升高，加速疲劳，影响使用寿命，若通过提高工作电压会引起换能器自身发热，温度升高太快，会严重影响换能器的电声转换效率，而在现有技术中，为了保证超声波换能器的有效输出，避免快速发热，通常采用降低超声波换能器的结构增益或者降低工作电压的方法，通过提高调幅器的增益来保证振幅， 或者增加压电陶瓷片数量及降低超声波换能器和调幅器安装法兰的损耗。

但在上述方法中，无论是降低超声波换能器的结构增益，还是降低工作电压，都会降低超声波换能器的输出振幅，限制超声波的输出功率，这样对于一些大面积或者熔点高的材料时，就难以满足应用要求，在这种情况下，为了提高振幅和输出功率，只能提高调幅器的结构增益，或者增加换能器的压电陶瓷片数量。如果提高调幅器增益， 就要增加节点前端的材料质量，即增大换能器连接端的直径，或者减小输出端的直径，但是这样会引起材料内部应力的过分集中，而直径减小后的输出端承受内部应力过高会更容易发生断裂，同时还会增加材料成本和加工成本。如果增加换能器的圧电陶瓷片数量， 也会增加材料成本，同时也增加能耗。

另外，市场上出于对成本和通用性的需要，通常对换能器的安装法兰尺寸有统一的尺寸要求，因此，调幅器的安装法兰需要考虑通用性的要求，以便更换使用，这样也就限制了调幅器的最大直径。而为了提高调幅器的增益，目前调幅器为一般采用柱形调幅器01和锥形调幅器02两种结构（如图1所示），在同样直径下可以获得最大的有限增益，但这种结构的调幅器由于设计上的缺陷，增益效果有限，满足不了使用需要。

实用新型内容

为了解决现有技术中超声波换能器的增益效果不佳、受形状限制、结构设计不合理等技术问题，本实用新型提供了一种新型结构的超声波换能器，具体技术方案如下：

一种超声波换能器，包括换能器本体和调幅器，换能器本体安装在调幅器上方，所述换能器本体包括后端压块、压电陶瓷组和前驱动块，所述调幅器包括输入端、增益端和输出端，压电陶瓷组安装在后端压块和前驱动块之间，换能器本体的前驱动块连接调幅器的输入端，输入端和输出端通过圆弧形的增益端实现过渡连接，输入端的直径大于增益端的直径，外部高频电压电连接压电陶瓷组，压电陶瓷组产生的超声波振幅经前驱动块一次增益放大后进入调幅器的输入端，弧形的增益端对超声波振幅进行二次增益放大后经输出端输出到外部设备。

作为本实用新型的一种优选方案，所述压电陶瓷组由多个压电陶瓷片组成，每个压电陶瓷片的上下两侧设有电极片，前驱动块上方设有安装法兰，安装法兰、电极片、压电陶瓷片和后端压块通过穿过其的高强度螺杆安装一体。

作为本实用新型的一种优选方案，所述前驱动块、输入端分别设有位置相对应的连接螺丝孔，前驱动块、输入端通过双头螺栓和连接螺丝孔的配合连接一体。

作为本实用新型的一种优选方案，所述安装法兰外周侧通过减震槽或减震胶圈安装于保护壳内部下端，后端压块、压电陶瓷组位于保护壳内部。

作为本实用新型的一种优选方案，所述前驱动块、输出端的上部分处都设有放大超声波振幅的放大弧度，前驱动块、输出端的截面为喇叭型。

作为本实用新型的一种优选方案，所述输出端尾部设有供外部设备连接的螺纹孔。

作为本实用新型的一种优选方案，所述保护壳上方安装有高频电压输入螺母或高频电压输入连接器，外部电源通过高频电压输入螺母或高频电压输入连接器电连接压电陶瓷组。

作为本实用新型的一种优选方案，所述压电陶瓷组位于换能器本体中心轴处。

作为本实用新型的一种优选方案，所述压电陶瓷组有两组，两组压电陶瓷组之间安装有第二驱动块，上下压电陶瓷组通过螺杆连接第二驱动块。

一种超声波切割、破碎、焊接设备，包括上述技术特征的超声波换能器。

本实用新型有益效果在于：把超声波换能器分成换能器本体和调幅器两大组成部分，后端压块和前驱动块之间的压电陶瓷组发生周期性的伸张压缩形变产生超声波振幅，超声波经具有放大弧度的前驱动块一次增益放大后进入调幅器的输入端，传递到弧形的增益端对超声波进行二次增益放大，结构设计合理，增益效果明显，提高换能器的总体振幅，避免材料内部应力的过分集中而损坏换能器，延长使用寿命，此结构改善可使换能器增益不受安装法兰、保护壳等外部安装零件的限制。

附图说明

图1是现有技术中柱形调幅器和锥形调幅器的结构示意图；

图2是本实用新型超声波换能器实施例1的结构示意图；

图3是本实用新型超声波换能器实施例1的分解示意图；

图4是本实用新型超声波换能器实施例2的结构示意图；

图5是本实用新型超声波换能器实施例3的结构示意图；

图6是本实用新型超声波换能器实施例4的结构示意图。

图中，1—换能器本体，2—调幅器，3—后端压块，4—压电陶瓷组，5—前驱动块，6—输入端，7—增益端，8—输出端，9—安装法兰，10—保护壳，11—减震槽，12—减震胶圈，13—第二驱动块，14—连接螺丝孔，15—高频电压输入螺母，16—高频电压输入连接器，17—螺纹孔，18—导线，19—放大弧度。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式做进一步说明：

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的实施例1如图2和图3所示，一种超声波换能器，包括换能器本体1和调幅器2，换能器本体1安装在调幅器2上方，所述换能器本体1包括后端压块3、压电陶瓷组4和前驱动块5，压电陶瓷组4有一组且由多个压电陶瓷片组成，所述调幅器2包括输入端6、增益端7和输出端8，压电陶瓷组4安装在后端压块3和前驱动块之间5，前驱动块5上方设有安装法兰9，安装法兰外周侧通过减震胶圈12安装于保护壳10内部下端，换能器本体1的前驱动块5连接调幅器2的输入端6，输入端6和输出端8通过内凹的圆弧形增益端7实现过渡连接，输入端6的直径大于增益端7的直径，外部高频电压的电源线卷连接高频电压输入连接器16后，通过导线电连接压电陶瓷组4，高频电压输入连接器16安装在保护壳10上方。

本实用新型的实施例2如图4所示，一种超声波换能器，包括换能器本体1和调幅器2，换能器本体1安装在调幅器2上方，所述换能器本体1包括后端压块3、压电陶瓷组4和前驱动块5，压电陶瓷组4有一组且由多个压电陶瓷片组成，所述调幅器2包括输入端6、增益端7和输出端8，压电陶瓷组4安装在后端压块3和前驱动块之间5，前驱动块5上方设有安装法兰9，安装法兰外周侧通过减震胶圈12安装于保护壳10内部下端，换能器本体1的前驱动块5连接调幅器2的输入端6，输入端6和输出端8通过内凹的圆弧形增益端7实现过渡连接，输入端6的直径大于增益端7的直径，外部高频电压的电源线卷绕在高频电压输入螺母15后，通过导线电连接压电陶瓷组4，高频电压输入螺母15螺接在保护壳10上方。

本实用新型的实施例3如图5所示，一种超声波换能器，包括换能器本体1和调幅器2，换能器本体1安装在调幅器2上方，所述换能器本体1包括后端压块3、压电陶瓷组4和前驱动块5，压电陶瓷组4有两组且每组由多个压电陶瓷片组成，两组压电陶瓷组4之间安装有第二驱动块13，上下压电陶瓷组4通过螺杆连接第二驱动块13，所述调幅器2包括输入端6、增益端7和输出端8，压电陶瓷组4安装在后端压块3和前驱动块之间5，前驱动块5上方设有安装法兰9，安装法兰外周侧套装减震胶圈12安装于保护壳10内部下端，换能器本体1的前驱动块5连接调幅器2的输入端6，输入端6和输出端8通过内凹的圆弧形增益端7实现过渡连接，输入端6的直径大于增益端7的直径，外部高频电压的电源线连接高频电压输入连接器16后，通过导线电连接压电陶瓷组4，高频电压输入连接器16螺接在保护壳10上方。

本实用新型的实施例4如图5所示，一种超声波换能器，包括换能器本体1和调幅器2，换能器本体1安装在调幅器2上方，所述换能器本体1包括后端压块3、压电陶瓷组4和前驱动块5，压电陶瓷组4有一组且由多个压电陶瓷片组成，所述调幅器2包括输入端6、增益端7和输出端8，压电陶瓷组4安装在后端压块3和前驱动块之间5，前驱动块5上方设有安装法兰9，安装法兰外周侧通过减震槽11安装于保护壳10内部下端，换能器本体1的前驱动块5连接调幅器2的输入端6，输入端6和输出端8通过内凹的圆弧形增益端7实现过渡连接，输入端6的直径大于增益端7的直径，外部高频电压的电源线卷绕在高频电压输入螺母15后，通过导线电连接压电陶瓷组4，高频电压输入螺母15螺接在保护壳10上方。

具体的，输入端6的直径大于增益端7的直径，按照需要增大结构增益，后端压块3固定不动，由换能器的压电陶瓷组4震动通过前驱动块5与输入端6的连接带动调幅器2震动，由于调幅器2的增益和其上下两侧的质量比成正比，因此，为了增大调幅器的增益，因此需要增大调幅器两侧的质量比，采用的现有技术的锥形或柱形结构都会受到具体形状及尺寸的限制，而采用本实用新型的调幅器结构，可以克服增大结构增益受形状及尺寸限制的技术同题，从而达到了不受形状及尺寸限制提高结构增益的技术效果。

具体的，每个压电陶瓷片的上下两侧设有电极片，电极片分为正负极，外部高频电压的电源线连接高频电压输入连接器16或高频电压输入螺母15，高频电压输入连接器16或高频电压输入螺母15通过导线18电连接电极片，方便电源传输，另外，高强度螺杆从上或从下依次穿过安装法兰9、电极片、压电陶瓷片和后端压块3后采用螺母锁紧，安装法兰9、电极片、压电陶瓷片和后端压块3就可通过高强度螺杆固定安装一体，前驱动块5、输入端6分别设有位置相对应的连接螺丝孔14，前驱动块5、输入端6通过双头螺栓和连接螺丝孔14的配合连接一体。

具体的，所述前驱动块5、输出端8的上部分处都设有放大超声波振幅的放大弧度19，前驱动块5、输出端8的截面为喇叭型，这样的结构通过可以减小前驱动块5的上部分处半径来减小输出端的质量，由于换能器的结构增益与各自节点两端的质量比是成正比的，所以将前驱动块5设置为喇叭型结构，后端压块3的直径大于前驱动块5的直径，对于换能器的中心位置而言，其上部的后端压块3和下部的前驱动块5的质量比会增大，通过喇叭型结构的顺滑过度，有效的减小材料疲劳，从而进一步增大了结构增益，所述输出端8尾部设有供外部设备连接的螺纹孔17，外部的超声波工具头通过螺纹孔17安装在调幅器2下方，组成超声波切割、破碎、焊接设备。

具体的，所述压电陶瓷组位于换能器本体中心轴处，可以降低圧电陶瓷片组由于震动带来的发热量，因为换能器在交变电流的作用下以谐振频率发生周期性的伸张压缩形变，在输出轴向振幅的同时，径向也会周期性的产生形变。在超声波换能器两端轴向形变最大，径向形变最小，而中间节点位置正相反，径向形变最大，轴向形变最小，这样，当圧电陶瓷片靠近中心位置时，由于轴向形变最小，所以其自身的发热量就会较低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波换能器，包括换能器本体和调幅器，换能器本体安装在调幅器上方，其特征在于：所述换能器本体包括后端压块、压电陶瓷组和前驱动块，所述调幅器包括输入端、增益端和输出端，压电陶瓷组安装在后端压块和前驱动块之间，换能器本体的前驱动块连接调幅器的输入端，输入端和输出端通过圆弧形的增益端实现过渡连接，输入端的直径大于增益端的直径，外部高频电压电连接压电陶瓷组，压电陶瓷组产生的超声波振幅经前驱动块一次增益放大后进入调幅器的输入端，圆弧形的增益端对超声波振幅进行二次增益放大后经输出端输出到外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述压电陶瓷组由多个压电陶瓷片组成，每个压电陶瓷片的上下两侧设有电极片，前驱动块上方设有安装法兰，安装法兰、电极片、压电陶瓷片和后端压块通过穿过其的高强度螺杆安装一体。

3.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述前驱动块、输入端分别设有位置相对应的连接螺丝孔，前驱动块、输入端通过双头螺栓和连接螺丝孔的配合连接一体。

4.根据权利要求2所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述安装法兰外周侧通过减震槽或减震胶圈安装于保护壳内部下端，后端压块、压电陶瓷组位于保护壳内部。

5.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述前驱动块、输出端的上部分处都设有放大超声波振幅的放大弧度，前驱动块、输出端的截面为喇叭型。

6.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述输出端尾部设有供外部设备连接的螺纹孔。

7.根据权利要求4所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述保护壳上方安装有高频电压输入螺母或高频电压输入连接器，外部电源通过高频电压输入螺母或高频电压输入连接器电连接压电陶瓷组。

8.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述压电陶瓷组位于换能器本体中心轴处。

9.根据权利要求1所述的一种超声波换能器，其特征在于：所述压电陶瓷组有两组，两组压电陶瓷组之间安装有第二驱动块，上下压电陶瓷组通过螺杆连接第二驱动块。

10.一种超声波切割、破碎、焊接设备，其特征在于：包括权利要求1～9任一所述的超声波换能器。