高能效壓電超聲換能器及其端蓋的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高能效壓電超聲換能器及其端蓋，端蓋整體呈圓柱形結構設置，包括同軸設置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部；端蓋前部具有輸出端面；端蓋尾部具有固定部；端蓋中部為組合式鏤空結構，包括橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺狀或者正梯形臺狀；橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部；由此可知，本發明通過合理的設計換能器端蓋的質量分布，減少輸出端面的質量負載，與傳統的實心型端蓋相比，這種布局在相同的輸入功率下能增大輸出端面的振幅，有助于提高輸出效率。
【專利說明】
高能效壓電超聲換能器及其端蓋
技術領域
[0001]本發明涉及一種壓電超聲換能器的端蓋，尤其是一種能夠提高聲壓輻射面振幅但基本保持聲壓輻射面構型不變的端蓋，適用于需要具有大聲壓輻射面的場合。
[0002]本發明還涉及一種具有上述端蓋的壓電超聲換能器。
【背景技術】
[0003]壓電超聲換能器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，依靠金屬端蓋的輻射面向外輸出超聲波能量的器件。夾心式壓電超聲換能器(又稱郎之萬換能器)是壓電作動器的一種典型結構，基于其構型設計的超聲電機，超聲刀具以及超聲焊接部件等已經在精密驅動、生物醫療、電子工業以及航空航天等領域得到了廣泛的應用。開展高能效夾心式壓電換能器的結構設計研究，將有助于提高包括超聲電機等壓電作動器的性能，具有顯著的現實意義和實用價值。
[0004]檢索現有的壓電超聲換能器專利發現，申請號為201210306518.9公開的一種用于超聲手術器械的高功率密度壓電換能器，其特點是采用多組壓電換能單元，配合喇叭形形變變換塊，提高了超聲波輻射的指向性。但是多組壓電換能單元的引入增加了換能器的功率損耗，將導致換能器發熱劇烈，使用壽命較短。申請號為201310146169.3公開的一種T型大功率超聲波換能器，采用壓電振子的縱向振動轉換成金屬圓盤的彎曲振動的方式，有效地增大了換能器的輻射面積，并且能輻射不同頻率的超聲波。但是圓盤的彎曲振動使得輻射面上的質點振動存在相位差，導致輻射面的聲壓分布不均勻。圓盤作為壓電振子的負載，加大了驅動質量，相同的輸入功率下，輸出振幅降低，不易形成較高的聲場強度。因此，合理地設計換能器結構，降低質量負載和增大散熱面積，成為提高換能器輸出能效的關鍵技術。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種壓電超聲換能器的端蓋，通過合理的設計換能器圓柱形端蓋的質量分布，減少輸出端面的質量負載，使得端蓋在保持聲壓輻射面不變的前提下，還能夠提高聲壓幅值；因此，采用該端蓋結構的壓電換能器，相對于現有的常用圓柱形端蓋而言，具有更大的端面振幅，具有輸出能效高的特點，適合運行于大功率、長時間連續工作等場合。
[0006]為實現以上的技術目的，本發明將采取以下的技術方案:
一種高能效壓電超聲換能器的端蓋，整體呈圓柱形結構設置，包括同軸設置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中:端蓋前部，具有用于驅動負載的輸出端面;端蓋尾部，在軸線位置處具有固定部；端蓋中部，為組合式鏤空結構，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺狀或者正梯形臺狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。
[0007]作為本發明的進一步改進，所述肋板為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個直角邊與端蓋前部連接，直角三角形肋板的另一個直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。
[0008]作為本發明的進一步改進，端蓋尾部設置的固定部為螺孔。
[0009]作為本發明的進一步改進，所述肋板為4塊。
[0010]本發明的另一技術目的是提供一種高能效壓電超聲換能器，為夾心式壓電振子結構，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、壓電陶瓷組件以及后端蓋;所述前端蓋和/或后端蓋的主體結構呈圓柱形，包括同軸設置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中:端蓋前部，具有用于驅動負載的輸出端面;端蓋尾部，與壓電陶瓷組件相鄰接，在軸線位置處具有與緊固螺栓配合的螺孔;端蓋中部，為組合式鏤空結構，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺狀或者正梯形臺狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。
[0011]作為本發明的進一步改進，所述前端蓋與壓電陶瓷組件之間、后端蓋與壓電陶瓷組件之間均設置有散熱盤。
[0012]作為本發明的進一步改進，所述散熱盤為圓盤狀結構，包括盤體，盤體中部具有與緊固螺栓配合的螺孔，且盤體在面向前端蓋/后端蓋的盤面均布有若干散熱槽，各散熱槽均沿著盤體的徑向布置。
[0013]作為本發明的進一步改進，所述散熱槽的外側槽壁缺口設置，并與散熱盤的外圓面齊平。
[0014]作為本發明的進一步改進，所述壓電陶瓷組件為單分區激勵結構，包括縱振壓電陶瓷片以及電極片;所述縱振壓電陶瓷片為偶數片，壓電陶瓷片與電極片相間設置，各壓電陶瓷片的極化邊界同位設置。
[0015]作為本發明的進一步改進，壓電陶瓷組件與正弦高頻交流激勵電源連接，在換能器的一階縱向共振模態頻率附近，激發換能器產生共振，輸出端面向外輻射超聲波。
[0016]根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果:
1、端蓋中部的中部位置采用橫截面漸變段，直徑較小的頂面與端蓋前部相連，減小了換能器在輸出端的質量負載，與傳統的實心型端蓋相比，這種布局在相同的輸入功率下能增大輸出端面的振幅，有助于提高輸出效率;采用肋板作為端蓋前部和尾部之間的支撐結構，有利于避免端蓋前部發生的彎曲形變，提高輸出端面振動的均勻性。
[0017]2、基于質量分布優化的壓電超聲換能器的振動和發熱情況:經多物理場耦合有限元計算，其一階縱振模態頻率與實心型壓電超聲換能器接近，諧波響應計算的振幅提高了一倍，顯著提高了輸出能量效率，溫度場計算的溫升降低了 30%，改善了換能器的發熱特性。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明所述壓電超聲換能器端蓋的立體結構示意圖；
圖2-1為本發明所述端蓋的正視圖； 圖2-2為圖2-1的剖視圖；
圖中:1-1、輸出端面；1-2、端蓋前部；1-3、端蓋中部；1-4、端蓋尾部；1-5、橫截面漸變段;1-6、肋板；
圖3-1為壓電超聲換能器的立體視圖；
圖3-2為壓電超聲換能器的分解視圖；
圖4-1為散熱盤結構圖；
圖4-2為圖4-1的#1』視圖；
圖5為壓電超聲換能器的工作原理示意圖。
[0019]圖中標號名稱:1、散熱盤;2、電極片;3、緊固螺栓;4、壓電陶瓷片;5-1、前端蓋;5-
2、后端蓋;6-1、前端蓋的輸出端面;6-2、后端蓋的輸出端面;7、散熱槽;8、換能器的一階縱向振動模態。
【具體實施方式】
[0020]附圖非限制性地公開了本發明所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。
[0021]本發明為提高超聲換能器的能效，從優化超聲換能器圓柱形端蓋的質量分布入手，概括而言，就是減少圓柱形端蓋輸出端面的質量負載，具體地，本發明所述超聲換能器的端蓋，具有如下結構:端蓋整體呈圓柱形結構，但是分為三個部分，如圖1、圖2-1、2_2所示，分別為:端蓋前部1-2、端蓋中部1-3以及端蓋尾部1-4;其中:端蓋前部1-2，具有用于驅動負載的輸出端面1-1，且用于向外輻射超聲波的輸出端面1-1位于端蓋前部1-2的前端；端蓋尾部1-4，在軸線位置處具有固定部，即用于安裝緊固螺栓的螺紋孔(固定部)位于端蓋尾部1-4的末端;端蓋中部1-3，為組合式鏤空結構，包括處于中部位置的橫截面漸變段1-5，該橫截面漸變段1-5呈圓臺狀;橫截面漸變段1-5的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端;橫截面漸變段1-5的大端與端蓋尾部1-4連接，橫截面漸變段1-5的小端則與端蓋前部1-2連接，且橫截面漸變段1-5的外壁通過若干周向均布的肋板1-6支撐在端蓋前部1-2。端蓋可采用電火花加工成形，也可采用激光堆積融化的增材制造方式一次成形。
[0022]附圖中:所述肋板1-6為4塊，但不僅限于4個;每一塊肋板1-6均為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部1-4連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個直角邊與端蓋前部1-2連接，直角三角形肋板的另一個直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。
[0023]另外，本發明所述的橫截面漸變段除了為附圖所示的圓臺狀，還可以為正梯臺式結構。
[0024]如圖3-1、圖3-2所示，本發明所述高能效壓電超聲換能器，主要由散熱盤1、電極片
2、緊固螺栓3、壓電陶瓷4、前端蓋5-1和后端蓋5-2組成。電極片2與壓電陶瓷片4間隔布置，組成壓電陶瓷組件。壓電陶瓷片的數目為偶數，相鄰壓電陶瓷片的極化邊界同位布置。前端蓋5-1在緊固螺栓3的預緊力作用下，依次將散熱盤1、壓電陶瓷組件和后端蓋5-2連為一體。輸出端面6-1和6-2布置在換能器的端部，兩片散熱盤I具有散熱槽的一面布置在靠近端蓋的一側。
[0025]另外，前端蓋5-1和后端蓋5-2的結構并不嚴格要求為一致，事實上，在工程實踐中，通常會根據使用需求進行配置。
[0026]如圖4-1、圖4-2所示，本發明所述散熱盤I為圓盤型結構，數目與端蓋相一致，質量與端蓋鏤空部分去除的質量相近。所示散熱盤I的直徑為端蓋直徑的2倍，但不僅限于2倍。在散熱盤I的一側布置有多道散熱槽7，用于增加散熱盤與空氣接觸的表面積。圖示散熱槽數目為12個，但不僅限于12個，散熱槽也不僅限于布置在散熱盤I的一側。
[0027]圖5所示的壓電超聲換能器長度為104mm，端蓋部分直徑為40mm，散熱盤直徑為80_，壓電陶瓷組件部分采用兩片壓電陶瓷片。采用有限元計算，該換能器的一階縱向振動模態8對應的模態頻率約為21kHz，與同尺寸實心型壓電換能器的模態頻率接近;40V峰-峰值交流信號激勵下，振幅為1.6微米，是實心型壓電換能器的2倍;計算得到的穩態溫升為6°C，是實心型壓電換能器的2/3。
[0028]另外，
【申請人】還需聲明的是，上述的壓電換能器，僅僅為本發明所述的一個優選實施例，事實上，所述的端蓋，除了可以用于上述的桿型壓電換能器，還可以應用于環形壓電換能器；同時，所述的壓電換能器中，除了選擇使用縱振壓電陶瓷片，還可以選用彎振、扭振壓電陶瓷片。
[0029]上面結合附圖所描述的本發明優選具體實施例僅用于說明本發明的實施方式，而不是作為前述發明目的和所附權利要求內容和范圍的限制，凡是依據本發明的技術實質以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術和權力保護范疇。
【主權項】
1.一種高能效壓電超聲換能器的端蓋，整體呈圓柱形結構設置，其特征在于，包括同軸設置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中: 端蓋前部，具有用于驅動負載的輸出端面； 端蓋尾部，在軸線位置處具有固定部； 端蓋中部，為組合式鏤空結構，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺狀或者正梯形臺狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。2.根據權利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:所述肋板為直角三角形肋板，該直角三角形肋板的頂部與端蓋尾部連接，直角三角形肋板的斜邊與橫截面漸變段的外壁連接，直角三角形肋板的一個直角邊與端蓋前部連接，直角三角形肋板的另一個直角邊的兩端分別與端蓋前部外圓面、端蓋尾部外圓面連接并齊平。3.根據權利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:端蓋尾部設置的固定部為螺孔。4.根據權利要求1所述高能效壓電超聲換能器的端蓋，其特征在于:所述肋板為4塊。5.—種高能效壓電超聲換能器，為夾心式壓電振子結構，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、壓電陶瓷組件以及后端蓋;其特征在于:所述前端蓋和/或后端蓋的主體結構呈圓柱形，包括同軸設置的端蓋前部、端蓋中部以及端蓋尾部;其中: 端蓋前部，具有用于驅動負載的輸出端面； 端蓋尾部，與壓電陶瓷組件相鄰接，在軸線位置處具有與緊固螺栓配合的螺孔； 端蓋中部，為組合式鏤空結構，包括處于中部位置的橫截面漸變段，該橫截面漸變段呈圓臺狀或者正梯形臺狀;橫截面漸變段的兩端分別為面積較大的大端和面積較小的小端；橫截面漸變段的大端與端蓋尾部連接，橫截面漸變段的小端則與端蓋前部連接，且橫截面漸變段的外壁通過若干周向均布的肋板支撐在端蓋前部。6.根據權利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述前端蓋與壓電陶瓷組件之間、后端蓋與壓電陶瓷組件之間均設置有散熱盤。7.根據權利要求6所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述散熱盤為圓盤狀結構，包括盤體，盤體中部具有與緊固螺栓配合的螺孔，且盤體在面向前端蓋/后端蓋的盤面均布有若干散熱槽，各散熱槽均沿著盤體的徑向布置。8.根據權利要求7所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述散熱槽的外側槽壁缺口設置，并與散熱盤的外圓面齊平。9.根據權利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:所述壓電陶瓷組件為單分區激勵結構，包括縱振壓電陶瓷片以及電極片;所述縱振壓電陶瓷片為偶數片，壓電陶瓷片與電極片相間設置，各壓電陶瓷片的極化邊界同位設置。10.根據權利要求5所述高能效壓電超聲換能器，其特征在于:壓電陶瓷組件與正弦高頻交流激勵電源連接，在換能器的一階縱向共振模態頻率附近，激發換能器產生共振，輸出端面向外福射超聲波。
【文檔編號】B06B1/06GK106076793SQ201610489676
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】蘆小龍, 胡俊輝
【申請人】南京航空航天大學