CN211243600U - 超声换能器、超声探头及预紧力的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了超声换能器、超声探头及预紧力的控制系统，包括：预紧螺栓，与预紧螺栓适配的螺母，前盖板，后盖板，套设在预紧螺栓上的绝缘套管，套设在绝缘套管上的至少一个压电换能件，与压电换能件正极电连接的正极导体，与压电换能件负极电连接的负极导体，以及压紧环；前盖板位于最下层压电换能件的下方且与预紧螺栓螺接；压紧环位于最上层压电换能件的上方且套设在预紧螺栓上；后盖板位于压紧环的上方且与预紧螺栓螺接；螺母位于后盖板上方，通过与预紧螺栓的螺接产生预紧力，以作用于压电换能件。由于在压电换能件的上方设置了压紧环，使得压紧环将预紧力或外部施加的压力均匀传导在压电换能件上。

Description

超声换能器、超声探头及预紧力的控制系统

技术领域

本实用新型涉及医学功率超声领域，具体涉及超声换能器、超声探头及超声换能器预紧力的控制系统。

背景技术

功率超声领域，压电陶瓷换能器得到了广泛的应用。与超声检测以及医学超声等其他应用的超声换能器不同，功率超声换能器大部分工作在低频超声范围，对换能器的功率、效率以及振动位移的要求较高。而在自然状态下，压电陶瓷经过逆压电效应做大幅度的伸缩运动时极易破裂。利用压电陶瓷具有高抗压强度的特点，可以通过给压电陶瓷施加预紧力的方式防止压电陶瓷破裂且能获得较大的振动位移，常用的方式有夹心式换能器(朗之万换能器)。在超声手术设备中，常采用夹心式换能器来实现电能到机械能的转换，由于不同预紧力下换能器的工作性能差距明显，为使设备正常稳定的运行，在装配过程中准确控制换能器预紧力是必要的。

通过超声换能器对压电换能件进行预紧时，压电换能件需要承受施加其上的预紧力；预紧机构输出的预紧力，均无法均匀施加在压电换能件上，而压电换能件受力不均匀，会影响压电换能件在压电性能作用下表现出的电荷量或电压，进而影响压电换能件的工作精度。另外，拧紧螺母或后盖板时会对压电换能件形成横向的剪切力等，由于压电换能件的压电效应，最好是只受轴向上的力。

发明内容

本申请提供超声换能器、超声探头及超声换能器预紧力的控制系统，解决了对压电换能件施加压力或预紧力时，压电换能件受力不均匀，以及受非轴向力干扰的技术问题。

根据第一方面，一种实施例中提供超声换能器，包括：预紧螺栓，与预紧螺栓适配的螺母，前盖板，后盖板，套设在预紧螺栓上的绝缘套管，套设在绝缘套管上的至少一个压电换能件，与压电换能件正极电连接的正极导体，与压电换能件负极电连接的负极导体，以及压紧环；所述前盖板位于最下层压电换能件的下方且与预紧螺栓螺接；所述压紧环位于最上层压电换能件的上方且套设在预紧螺栓上；所述后盖板位于压紧环的上方且与预紧螺栓螺接；所述螺母位于后盖板上方，通过与预紧螺栓的螺接产生预紧力，以作用于压电换能件。

在一种实施例中，还包括：套设在绝缘套管上的第一绝缘片，套设在绝缘套管上的第二绝缘片；其中，第一绝缘片位于最下层压电换能件的下方且位于所述前盖板的上方，第二绝缘片位于最上层压电换能件的上方且位于所述压紧环的下方。

进一步地，压紧环的外侧设置有第一限位槽，所述第一限位槽用于限制压紧环转动。

进一步地，第一限位槽设置有两个或多个，各个限位槽沿压紧环的周向均匀阵列。

进一步地，压紧环套设在所述绝缘套管上；所述压电换能件为压电陶瓷。

进一步地，前盖板的外侧或底部设置有第二限位槽，所述第二限位槽用于限制前盖板转动。

进一步地，压电换能件的数量为两个以上，所述压电换能件的两个轴向端面分别为其正极和负极；所述正极导体包括正极极片和与正极极片电连接的正极导电片，所述正极导电片用于与压电换能件的正极电连接；所述负极导体包括负极极片和与负极极片电连接的负极导电片，所述负极导电片用于与压电换能件的负极电连接；各个压电换能件上下层叠的套设在所述绝缘套管上，其中两两相邻的压电换能件中，相邻的两个电极极性相同且相邻的两个电极之间均设置有一个对应极性的导电片。

进一步地，所述绝缘套管为热缩套管，所述第一绝缘片和第二绝缘片均为绝缘陶瓷片。

根据第二方面，一种实施例中提供超声探头，包括本发明所述的超声换能器。

根据第三方面，一种实施例中提供超声换能器预紧力的控制系统，包括：

超声换能器；

压力机，用于对压电换能件施加大小为目标数值的压力；

检测装置，用于检测所述压电换能件被施加压力后产生的电学参数，并得到大小为目标数值的压力对应的目标电学参数；所述电学参数为电压或电荷量；

紧固工具，用于调整所述超声换能器的预紧机构，以对所述超声换能器的压电换能件施加预紧力。

依据上述实施例的超声换能器、超声探头及超声换能器预紧力的控制系统，由于在压电换能件的上方设置了压紧环，使得压紧环将预紧力或外部施加的压力均匀传导在压电换能件上，并且将压紧环套设在预紧螺栓上，后盖板又位于压紧环的上方且与预紧螺栓螺接，使得后盖板与预紧螺栓螺接时，后盖板旋转产生的剪切力、摩擦力等被压紧环隔离，不会传导到压电换能件上。

附图说明

图1为超声换能器的结构示意；

图2为图1的右视图；

图3为一种实施例的压电换能件的示意图；

图4为另一种实施例的压电换能件的示意图；

图5为超声换能器预紧力的控制系统的结构示意图；

图中符号代表为：1-负极导体；2-正极导体；3-预紧螺栓；4-负极极片；5-后盖板；6-压紧环；7-压电换能件；8-前盖板；9-第二限位槽；10-第一绝缘片；11-第二绝缘片；12-第一限位槽；13-绝缘套管；14-负极导电片；15-正极导电片；16-正极极片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

请参考图1，本实施例提供了超声换能器，包括：预紧螺栓3，与预紧螺栓3适配的螺母，前盖板8，后盖板5，套设在预紧螺栓3上的绝缘套管13，套设在绝缘套管13上的至少一个压电换能件7，与压电换能件7正极电连接的正极导体2，与压电换能件7负极电连接的负极导体1，以及压紧环6；前盖板8位于最下层压电换能件7的下方且与预紧螺栓3螺接；压紧环6位于最上层压电换能件7的上方且套设在预紧螺栓3上；后盖板5位于压紧环6的上方且与预紧螺栓3螺接；螺母位于后盖板5上方，通过与预紧螺栓3的螺接产生预紧力，以作用于压电换能件7。

在本发明实施例中，压电换能件7套设在绝缘套管13上，绝缘套管13套设在预紧螺栓3上，并且压电换能件7的上方设置有套设在预紧螺栓3上的压紧环6，其中压紧环6套在预紧螺栓3是可以转动和轴向运动的，当拧动预紧螺栓3或者预紧螺栓3适配的螺母时，预紧螺栓3和螺母组成的预紧机构对压紧环6施加了预紧力，并通过压紧环6均匀传导到压电换能件7上，并且，外部向压电换能件7施加的压力也可以通过压紧环6均匀传导到压电换能件7上，从图1中可以看出，预紧螺栓3与螺母螺接产生的预紧力在图1中是沿预紧螺栓3轴向传导的；此外，由于压紧环6设置在压电换能件7上，还可以对压电换能件施加从上至下的压力，其也是沿预紧螺栓3的轴向进行传播的，对于外部压力压紧环6同样可以将力均匀的传导至压电换能件，这样就可以实现超声换能器装配之前对压电换能件的标定，其标定过程为通过压力机向压电换能件7施加目标数值大小的压力，并检测压电换能件7在该压力值作用下产生的目标电学参数；为了提高标定精度，常常需要向压电换能件7多次施加压力，并检测压电换能件7产生的电学参数，从而拟合出压力与电学参数的曲线。

另外，螺母位于后盖板5上方，当螺母与预紧螺栓3通过螺接产生预紧力时，后盖板5与预紧螺栓3螺接产生的剪切力、摩擦力等被压紧环6隔离，从而不会传导到压电换能件7上，使得在同一预紧力或外部压力作用下压电换能件7产生的电荷量是不变的，提高了压电换能件7的工作精度。

由于压紧环6为套设在预紧螺栓3上，在外部压力或者预紧力的作用下，会相对于预紧螺栓3发生转动或位移，从而导致压紧环6向压电换能件7传导的压力或预紧力不均匀，本实施例中压紧环6的外侧设置有第一限位槽12，第一限位槽12用于限制压紧环6转动。并且为了更好地限制压紧环6转动，本实施例中第一限位槽12设置有两个或多个，各个限位槽沿压紧环6的周向均匀阵列。这样，使得压紧环6沿其周向均被均匀固定，限制其转动。第一限位槽12的槽体可以为多种形状，如圆形、椭圆形等，如图2，本实施例采用方形的第一限位槽12，具体为扁方形结构。

压电换能件7在压力或者预紧力作用下会产生电荷量，为了防止其产生的电荷量通过预紧螺栓3或压紧环6等金属构件传导，导致最终检测到的压电换能件7上的电荷量变少，影响其检测精度，本实施例中的预紧螺栓3外部套设有不导电的绝缘套管13，并且压紧环6也套设在绝缘套管13上；本实施例中的压电换能件7可以为任何满足其受到极化方向的力的作用时，内部产生极化现象，同时在相对表面上出现正负相反电荷的器件，本实施例采用的压电换能件7为压电陶瓷，由于压电陶瓷在压力或预紧力的作用下产生的是电荷，而电荷的测量较为困难，在一种实施方式下，可采用外部的等效电路，通过测量电压来替换电荷量的测量。

本实施例中压电换能件7的上部和下部分别设有后盖板5和前盖板8，其中后盖板5位于螺母的下方，前盖板8位于压电换能件7的下方，用于向压电换能件7施加压力或预紧力时，作为压电换能件7的压紧底座，因此，当向压电换能件7施加压力或预紧力时，压力或预紧力通过压电换能件7传导到前盖板8上，故前盖板8为了固定住压电换能件7，防止前盖板8在压力或预紧力作用下转动，本实施例中前盖板8的外侧或底部设置有第二限位槽9，第二限位槽9用于限制前盖板8转动。第二限位槽9可以设置在前盖板8的外侧，也可以设置在前盖板8的底部，第二限位槽9的槽体可以设置为多种形状，如圆形、椭圆形等，如图2，本实施例采用方形槽体作为第二限位槽9。

本实施例中压电换能件7的数量为两个以上，压电换能件7的两个轴向端面分别为其正极和负极；正极导体2包括正极极片16和与正极极片16电连接的正极导电片，正极导电片用于与压电换能件7的正极电连接；负极导体1包括负极极片4和与负极极片4电连接的负极导电片，负极导电片用于与压电换能件7的负极电连接；各个压电换能件上下层叠的套设在绝缘套管13上，其中两两相邻的压电换能件7中，相邻的两个电极极性相同且相邻的两个电极之间均设置有一个对应极性的导电片。

如图3、4所示为6个压电换能件7层叠设置时正极与正极导电片15、负极与负极导电片14的连接示意图。当压电换能件7受到极化方向(图3中上下方向)的压力时，其内部会产生极化现象，并同时在其相对表面(图3中为上表面和下表面)产生正负电荷，产生正电荷的表面即为压电换能件7的正极，同理，产生负电荷的表面为压电换能件7的负极。从图3中可以看出，两两相邻的压电换能件7中，相邻的两个电极极性相同且相邻的两个电极之间均设置有一个对应极性的导电片，为了便于说明，将图3中的压电换能件7按照从上向下的顺序依次设为第一压电换能件至第六压电换能件，以第一压电换能件和第二压电换能件作为一组进行说明，其中第一压电换能件的上端为正极，其下端为负极，第二压电换能件的上端为负极，其下端为正极，则第一压电换能件的正极与第二压电换能件的正极相连接，且与一正极导电片15相连接，同理，第一压电换能件的负极与第二压电换能件的负极相连接，且与一负极导电片14相连接，那么从电路角度来看，第一压电换能件和第二压电换能件是并联连接，而从结构角度来看，第一压电换能件和第二压电换能件是串联连接的，以此延伸，第三压电换能件和第四压电换能件、第五压电换能件和第六压电换能件均是这种连接方式，并且正极导电片15通过正极极片与正极导体2相连接，负极导电片14通过负极极片与负极导体1相连接，故多个压电换能件虽然从结构上看，都是串接在预紧螺栓3上的，但在电路上为并联连接的方式。

实施例二：

请参考图1，本实施例与实施例一的区别在于，还包括：套设在绝缘套管13上的第一绝缘片10，套设在绝缘套管13上的第二绝缘片11；其中，第一绝缘片10位于最下层压电换能件7的下方且位于所述前盖板的上方，第二绝缘片11位于最上层压电换能件7的上方且位于所述压紧环的下方。因为前盖板8、压紧环6为金属等导电材料，为了防止压电换能件7上产生的电荷通过前盖板8或压紧环6传导出去，故本实施例在压电换能件7和前盖板8之间设置了第一绝缘片10，在压电换能件7和压紧环6之间设置了第二绝缘片11，两种绝缘片的形状与压电换能件匹配即可，采用绝缘材料制成，虽然绝缘材料均可以在电压下不导电，但长期使用也会出现老化现象，故本实施例采用了绝缘陶瓷片，其耐热性好，且能承受一定的机械强度。此外，通过在绝缘套管13上套设第一绝缘片10，在绝缘套管13上套设第二绝缘片11，对压电陶瓷进行了绝缘保护，使超声换能器在增加电凝功能的情况下，不会对压电陶瓷造成影响。

实施例三：

本实施例提供了一种超声探头，其包括实施例一至实施例二所提供的超声换能器。超声探头是在超声检测中使用的探头，利用其压电效应实现电能、声能转换的换能器，在本实施例中，当超声波传播到超声探头，其中的压电换能件将超声波产生的振动转换为电能，通过正极导体和负极导体将电能输出。

实施例四：

请参考图5，本实施例提供了一种超声换能器预紧力的控制系统，包括：

实施例一至实施例三提供的超声换能器；

压力机，用于对压电换能件施加大小为目标数值的压力；本实施例中的压力机是由电机经过传动机构带动工作机构，对压电换能件施加压力，可以是气动压力机、螺旋压力机、曲柄压力机等，压力机向压电换能件所施加的压力的方向应为压电换能件的极化方向，且均匀分布在压电换能件上，其中目标数值的压力可以是预设的目标预紧力。

检测装置，用于检测所述压电换能件被施加压力后产生的电学参数，并得到大小为目标数值的压力对应的目标电学参数；所述电学参数为电压或电荷量；本实施例中的电学参数可以为电荷量或电压，为了便于测量，通常选用电压作为检测的电学参数，具体地，通过外接电路对压电换能件所产生的电荷量转换为电压后，再通过检测装置进行检测，在一种具体实施方式下，检测装置可以为一种检测电路两端电压的检测电路，该检测电路通过模拟式电子电压表或数字式电压表等电压检测装置进行电压检测。

紧固工具，用于调整所述超声换能器的预紧机构，以对所述超声换能器的压电换能件施加预紧力。本实施例中的预紧机构可以为螺母和预紧螺栓的组合，通过拧动螺母或预紧螺栓向套设在预紧螺栓上的压电换能件提供预紧力，其紧固工具可以是任何能够拧动预紧螺栓或者螺母的工具，当将预紧机构调整到所需的预紧力时，需要记录下此时的预紧参数，例如预紧螺栓的伸长量、扭矩等，为了便于计量预紧参数，本实施例中的紧固工具包括数显扭矩扳手。另外，本实施例中的压电换能件为压电陶瓷。

通过向压力机输入需要其输出压力的目标数值，使得压力机向压电换能件施加大小为目标数值的压力；压电换能件被施加压力后会产生电学参数，如电荷量或电压，通过检测装置检测该电学参数，即可得到目标数值大小的压力所对应的目标电学参数；根据目标电学参数，紧固工具调整超声换能器的预紧机构，以对超声换能器的压电换能件施加压力，当检测到压电换能件产生的电学参数与目标电学参数相同时，则此时紧固机构所调整预紧机构提供的预紧力即为所需要的预紧力，即实现了超声换能预紧力的精确控制。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种超声换能器，其特征在于包括：预紧螺栓，与预紧螺栓适配的螺母，前盖板，后盖板，套设在预紧螺栓上的绝缘套管，套设在绝缘套管上的至少一个压电换能件，与压电换能件正极电连接的正极导体，与压电换能件负极电连接的负极导体，以及压紧环；所述前盖板位于最下层压电换能件的下方且与预紧螺栓螺接；所述压紧环位于最上层压电换能件的上方且套设在预紧螺栓上；所述后盖板位于压紧环的上方且与预紧螺栓螺接；所述螺母位于后盖板上方，通过与预紧螺栓的螺接产生预紧力，以作用于压电换能件。

2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于还包括：套设在绝缘套管上的第一绝缘片，套设在绝缘套管上的第二绝缘片；其中，第一绝缘片位于最下层压电换能件的下方且位于所述前盖板的上方，第二绝缘片位于最上层压电换能件的上方且位于所述压紧环的下方。

3.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压紧环的外侧设置有第一限位槽，所述第一限位槽用于限制压紧环转动。

4.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，所述第一限位槽设置有两个或多个，各个限位槽沿压紧环的周向均匀阵列。

5.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压紧环套接在所述绝缘套管上；所述压电换能件为压电陶瓷。

6.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述前盖板的外侧或底部设置有第二限位槽，所述第二限位槽用于限制前盖板转动。

7.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电换能件的数量为两个以上，所述压电换能件的两个轴向端面分别为其正极和负极；所述正极导体包括正极极片和与正极极片电连接的正极导电片，所述正极导电片用于与压电换能件的正极电连接；所述负极导体包括负极极片和与负极极片电连接的负极导电片，所述负极导电片用于与压电换能件的负极电连接；各个压电换能件上下层叠的套设在所述绝缘套管上，其中两两相邻的压电换能件中，相邻的两个电极极性相同，且相邻的两个电极之间均设置有一个对应极性的导电片。

8.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述绝缘套管为热缩套管，所述第一绝缘片和第二绝缘片均为绝缘陶瓷片。

9.一种超声探头，其特征在于，包括如权利要求1－8中任意一项所述的超声换能器。

10.一种超声换能器预紧力的控制系统，其特征在于包括：

如权利要求1－8中任意一项所述的超声换能器；

压力机，用于对压电换能件施加大小为目标数值的压力；

检测装置，用于检测所述压电换能件被施加压力后产生的电学参数，并得到大小为目标数值的压力对应的目标电学参数；所述电学参数为电压或电荷量；

紧固工具，用于调整所述超声换能器的预紧机构，以对所述超声换能器的压电换能件施加预紧力。

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