超声波换能器中的振源和超声波全波换能器

摘要

本发明公开了一种可以提高功率的超声波换能器中的振源，包括：偶数个间隔直线布置的压电陶瓷组，压电陶瓷组含有相同片数的压电陶瓷环，并且，片数为偶数，每个压电陶瓷组中，相邻压电陶瓷环的相同极性的端面贴靠在一起，所有的压电陶瓷环的相同极性并接在一起，形成压电陶瓷组的正、负极，两两相邻的压电陶瓷组的相反极性相连，形成所述振源的正、负极。本发明还公开了一种采用这种结构的振源形成的全能换能器。采用该全能换能器制成的超声波发生器，可广泛应用于焊接、切削、粉碎、喷涂以及提练、手术、磨削和清洗等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及到超声波发生装置，尤其涉及到超声波发生装置中的换能器。

背景技术

目前，超声波已经广泛应用于焊接、切削、粉碎、喷涂、提练、手术、磨 削和清洗等领域。传统的换能器，其结构包括：器身和将两个压电陶瓷组分别 固定在器身两侧的器头和器尾，两个压电陶瓷组中，一个为主压电陶瓷组，另 一个为副压电陶瓷组，副压电陶瓷组中的压电陶瓷环的数量比主压电陶瓷组中 的少。由上述主、副压电陶瓷组构成的振源，其输出功率不高，采用这种振源 制作的换能器，输出功率都较小；而且，这种换能器的能量转换效率不高，通 常不超过76％。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以提高功率的超声波换能器中 的振源。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：超声波换能器中的振源， 包括：偶数个间隔直线布置的压电陶瓷组，其特征在于：所述压电陶瓷组含有 相同片数的压电陶瓷环，并且片数为偶数，每个压电陶瓷组中，相邻压电陶瓷 环的相同极性的端面贴靠在一起，所有压电陶瓷环的相同极性并接在一起，形 成压电陶瓷组的正、负极，两两相邻的压电陶瓷组的相反极性相连，从而形成 所述振源的正、负极。

本发明所要解决的进一步的技术问题是：提供一种可以提高能量转换效率 的超声波全波换能器。

为解决上述进一步的技术问题，本发明采用的技术方案为：超声波全波换 能器，包括：振源和振动体，所述的振动体包括：器身以及位于器身两侧的器 头和器尾，所述的振源包括一对本发明所述结构的压电陶瓷组即第一压电陶瓷 组和第二压电陶瓷组，第一压电陶瓷组设置在器身与器尾之间，第二压电陶瓷 组设置在器身与器头之间；所述的器身、器头和器尾均为圆柱体，其直径以及 压电陶瓷环的外径均≤超声波波长的四分之一，第二压电陶瓷组与器身的组合 体对应于二分之一波长，第一压电陶瓷组与其外侧部分的组合体对应于四分之 一波长，器头对应于四分之一波长。

所述器头由位于内侧较粗的连接部和位于外侧较细的发射部构成，发射部 的横截面积与连接部的横截面积之比为1∶1.5～2。

所述的全波换能器还包括有密封筒，所述的器身、器尾和两个压电陶瓷组 套装在密封筒中，所述器头的外周壁上设置有与密封筒相配合的阶梯状的安装 凸台，安装凸台与密封筒之间设置有密封圈。

本发明的有益效果是：本发明所述的振源，由于每个压电陶瓷组均设置了 相同片数的压电陶瓷环，每个压电陶瓷组中，相邻压电陶瓷环的相同极性的端 面贴靠在一起，所有压电陶瓷环的相同极性相并接，形成压电陶瓷组的正、负 极，两两相邻的压电陶瓷组的相反极性相连，从而形成所述振源的正、负极， 两个压电陶瓷组合为提供超声波振源，提高了振源的输出功率。本发明所述的 换能器由于采用了上述结构的振源，并将第二压电陶瓷组与器身的组合体对应 于二分之一波长，第一压电陶瓷组与其外侧部分的组合体对应于四分之一波长， 器头对应于四分之一波长，从而形成一个全波换能器，大大提高了换能效率， 换能效率通常能达到95％以上；除此之外，由于器头的发射部的横截面积比连 接部的横截面积小，增大了超声波的振幅，提高了超声波的振动效率；另外， 通过密封筒和密封圈将两个压电陶瓷组密封起来，从而将本发明所述的换能器 应用到污水等恶劣环境，从而拓宽了所述全波型换能器的应用场合。

附图说明

图1是本发明的局部剖视结构示意图。

图2是图1中两个压电陶瓷组的电连接结构示意图。

图3是本发明带有密封筒的结构示意图。

图4是图3的剖视结构示意图。

图1至图4中：1、器身，101、第一螺纹孔，102、第二螺纹孔，2、器尾， 3、器头，31、安装凸台，32、止转凸台，33、螺纹孔，4、第一压电陶瓷组， 41、第一压电陶瓷环，42、第二压电陶瓷环，43、第三压电陶瓷环，44、第四 压电陶瓷环，5、第二压电陶瓷组，51、第五压电陶瓷环，52、第六压电陶瓷环， 53、第七压电陶瓷环，54、第八压电陶瓷环，6、第一螺栓，7、第二螺栓，9、 密封筒，11、第一正引出线，12、第一负引出线，13、第二正引出线，14、第 二负引出线，15、端板，16、卡簧，17、内挡板，18、密封圈，19、外挡板， 20、卡簧。

具体实施方式

如图1和图4所示，一种超声波全波换能器，包括：器身1和位于器身1 两侧的器头3和器尾2，器身1与器尾2之间设置有第一压电陶瓷组4，器身1 与器头3之间设置有第二压电陶瓷组5，器身1、第一压电陶瓷组4和器尾2通 过带帽沿的第一螺栓6以及开设在器身1相应端面上的第一螺纹孔101固定在 一起，器身1、第二压电陶瓷组5和器头3通过第二螺栓7以及开设在器身1相 应端面上的第二螺纹孔102和贯穿器头3的螺纹孔33固定在一起，第一压电陶 瓷组4和第二压电陶瓷组5含有相同片数的压电陶瓷环，并且片数为偶数，本 实施例中，第一压电陶瓷组4和第二压电陶瓷组5均含有四片压电陶瓷环，即： 第一压电陶瓷组4含有第一压电陶瓷环41、第二压电陶瓷环42、第三压电陶瓷 环43和第四压电陶瓷环44，第二压电陶瓷组5含有第五压电陶瓷环51、第六 压电陶瓷环52、第七压电陶瓷环53和第八压电陶瓷环54，如图2所示，每个 压电陶瓷组中，相邻压电陶瓷环的相同极性的端面贴靠在一起，所有压电陶瓷 环的相同极性并接在一起，形成压电陶瓷组的正、负极，两两相邻的压电陶瓷 组的相反极性相连，从而形成所述振源的正、负极，即：在第一压电陶瓷组4 中，第一压电陶瓷环41和第二压电陶瓷环42的正极端面贴靠在一起，第二压 电陶瓷环42与第三压电陶瓷环43的负极端面贴靠在一起，第三压电陶瓷环43 和第四压电陶瓷环44的正极端面贴靠在一起，并且将第一压电陶瓷环41、第二 压电陶瓷环42、第三压电陶瓷环43和第四压电陶瓷环44的正极通过第一正引 出线11并接在一起，将第一压电陶瓷环41、第二压电陶瓷环42、第三压电陶 瓷环43和第四压电陶瓷环44的负极通过第一负引出线12并接在一起，在第二 压电陶瓷组5中，第五压电陶瓷环51和第六压电陶瓷环52的正极端面贴靠在 一起，第六压电陶瓷环52与第七压电陶瓷环53的负极端面贴靠在一起，第七 压电陶瓷环53和第八压电陶瓷环54的正极端面贴靠在一起，并且，将第五压 电陶瓷环51、第六压电陶瓷环52、第七压电陶瓷环53和第八压电陶瓷环54的 正极通过第二正引出线13并接在一起，将第五压电陶瓷环51、第六压电陶瓷环 52、第七压电陶瓷环53和第八压电陶瓷环54的负极通过第二负引出线14并接 在一起，第一正引出线11与第二负引出线14相连，第一负引出线12与第二正 引出线13相连；所述的器身1、器头3和器尾2均为圆柱体，其直径以及压电 陶瓷环的外径均≤超声波波长的四分之一，第二压电陶瓷组5与器身1的组合 体对应于二分之一波长，第一压电陶瓷组4与其外侧部分的组合体对应于四分 之一波长，这里所述的第一压电陶瓷组4的外侧部分是指器尾2和第一螺栓6 的帽沿部分，器头3对应于四分之一波长；本实施例中，所述器头3由位于内 侧较粗的连接部和位于外侧较细的发射部构成，发射部的横截面积与连接部的 横截面积之比为1∶1.5～2。

如图1所示，实际制作时，首先确定器身1、器头3、器尾2以及第一螺栓 6和第二螺栓7的材质，假设，器身1的材质为铝，、器头3、器尾2的材质为 钛合金，第一螺栓6和第二螺栓7的材质为钢，其次，确定超声波的频率，假 定超声波的频率为f，然后，选定压电陶瓷环的规格以及每个压电陶瓷组中压电 陶瓷环的片数，这样，第一压电陶瓷组4和第二压电陶瓷组5的高度L1和L5 就确定了，将频率为f的超声波在压电陶瓷中的传输速度v1÷f，得到相应于频 率为f的超声波一个全波的波长λ的压电陶瓷材料的高度h1，由于L1＝L5，因 此，L1÷h1就可知道，第一压电陶瓷组4和第二压电陶瓷组5相当于波长的比 值g1，由于第二压电陶瓷组5与器身1的组合体相当于波长λ的比值为二分之 一，这样，将二分之一减去第二压电陶瓷组5相当于波长的比值g1，得到器身 1相应于波长的比值g2，将频率为f的超声波在铝质材料中的传输速度v2÷f得 到相应于频率为f的超声波一个全波的波长λ的铝质材料的高度h2，h2×g2就 可得到器身1的高度L0；器头3的高度L6的计算比较简单，将频率为f的超声 波在钛合金材料中的传输速度v3÷f得到相应于频率为f的超声波一个全波的波 长λ的钛合金材料的高度h3，h3的四分之一就是器头3的高度L6；器头3的高 度L2和L3之和的计算相对复杂一点，首先，将频率为f的超声波在钢质材料 中的传输速度v3÷f得到相应于频率为f的超声波一个全波的波长λ的钢质材料 的高度h4，用L4÷h4得到第一螺栓6的帽沿相当于波长的比值g3，用四分之 一减去g1和g3得到g4，L2＝g4×h3，L3≤g3×h3。

实际应用时，通常将器身1、器尾2以及第一压电陶瓷组4和第二压电陶瓷 组5套装在如图3和图4所示的密封筒9中，所述器头3的外周壁上设置有与 密封筒9相配合的阶梯状的安装凸台31，密封筒9内壁在两端分别设置有安装 孔，器头3的安装凸台31套在密封筒9相应一侧的安装孔中，并且，该安装孔 中在安装凸台31的两侧分别设置有内、外挡板17和19，在安装凸台31与密封 筒9之间设置有密封圈18，该安装孔在外挡板19的外侧开设有卡簧槽，卡簧槽 中卡设有卡簧20，密封筒9另一侧的安装孔中设置有端板15，在端板15的外 侧开设有卡簧槽，卡簧槽中卡设有卡簧16，端板15中开设有安装两个接线柱的 安装孔和固定螺纹孔，其中，一个接线柱用于连接第一正引出线11和第二负引 出线14，另一个接线柱用于连接第一负引出线12和第二正引出线13。