一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器制造技术

本发明专利技术涉及超声换能器技术领域，尤其是一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，包括预应力连接件、紧固件、后负载块、偶数层压电陶瓷元件、配套电极片、套管和前负载块，各个部件采用机械串联、电路并联、偶数层中心圆孔压电陶瓷元件作为有源材料，不同声阻抗、机械损耗和强度的金属结构件作为无源材料，沿轴向通过预应力连接件将有源和无源材料部件紧密连接，构成纵振工作超声换能器，本发明专利技术的超声换能器经超声频电源提供的电压激励工作，其电声效率、振幅和功率较传统压电超声换能器有明显优势，全面提升超声加工和声化学处理能力。全面提升超声加工和声化学处理能力。全面提升超声加工和声化学处理能力。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器


[0001]本专利技术涉及超声换能器
，具体领域为一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器。

技术介绍

[0002]大功率超声换能器国内外已有大量产品，以压电陶瓷元件超声换能器为主，应用于超声焊接、精密加工、治疗、空化清洗和声化学等超声设备，在制造业领域有不可替代的作用和发展前景。
[0003]功率超声的发展空间吸引了全球企业加入中国市场的开发和投入，近年来功率超声商用设备向自动化、智能化发展，作为超声设备的核心部件，功率超声换能器性能和功能已不能较好满足需求，面临功率、振幅、效率、机械强度、使用寿命需进一步提高的要求，特别是在强场条件下的工作稳定性；鉴于行业情况和发展需要，通过功率超声作用机理和复杂条件下应用的研究，选用发射型压电陶瓷和特种金属材料创新研制，提供一种应用面较广的高振幅大功率纵振超声换能器。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，在同等压电晶堆体积下，提供更高机械振幅输出和更高功率容量的超声换能器，解决超声换能器复杂工作条件下内部损耗较大、振幅位移和疲劳强度偏弱等瓶颈问题，提高实际应用中超声换能器工效、稳定性和可靠性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，包括预应力连接件、紧固件、后负载块、偶数层压电陶瓷元件、配套电极片、套管和前负载块，所述套管依次穿过配套电极片和偶数层压电陶瓷元件的内孔，所述预应力连接件依次穿过后负载块、套管和偶数层压电陶瓷元件后装入前负载块，并通过紧固件锁紧装配，装配后的预应力连接件、紧固件、后负载块、偶数层压电陶瓷元件、配套电极片、套管和前负载块为同心设计。
[0006]在其中一些实施例中，所述紧固件和预应力连接件采用高强度钢或钛合金材料制成。
[0007]在其中一些实施例中，所述后负载块和前负载块为硬铝合金或钛合金材料制成。
[0008]在其中一些实施例中，所述配套电极片为镀银铜合金或铍青铜材料制成。
[0009]在其中一些实施例中，所述压电陶瓷元件为PZT发射型材料成型烧结极化的圆环片，压电陶瓷元件的外径厚度9
±
2mm、带中心圆孔。
[0010]在其中一些实施例中，所述套管由聚四氟乙烯模压成型。
[0011]在其中一些实施例中，所述前负载块的后端设置有压电晶堆结构，
[0012]压电晶堆结构由4片压电陶瓷元件组成，其长度为92
±
3mm，
[0013]或
[0014]压电晶堆结构由6片压电陶瓷元件组成，其长度为72
±
3mm。
[0015]在其中一些实施例中，所有的压电陶瓷元件电路上为并联连接，器负极通过预应力连接件和前后负载块连接，正极通过电极片连接，构成串联振动源。
[0016]在其中一些实施例中，所述前负载块的前后端面均设计有圆柱形沉孔，前负载块后侧端的沉孔与压电晶堆耦合，前侧端的沉孔耦合有增幅器。
[0017]在其中一些实施例中，所述的超声换能器具有以下电性能特征：谐振频率fs＝14.5—15.5kHz，谐振阻抗为5—15Ω，静态电容为1—2nF，所述的后负载块上激光打标产品标识。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术超声换能器为两种压电晶堆结构，体积分别为82
‑
92cm3和124
‑
138cm3，具有相同工作频率，均具有较低的谐振阻抗、合理的工作带宽、高振幅等特性，可广泛应用于大功率超声商用设备。
[0019]本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本申请的实施例对本申请进行详尽说明和了解。
附图说明
[0020]图1为实施例4片压电陶瓷元件超声换能器结构示意图；
[0021]图2为实施例4片压电陶瓷元件超声换能器结构剖面图；
[0022]图3为实施例6片压电陶瓷元件超声换能器结构示意图；
[0023]图4为实施例6片压电陶瓷元件超声换能器结构剖面图；
[0024]图5为实施例一种典型应用示意图。
[0025]图中：1和16－钢或钛合金材料紧固件；
[0026]2和17－硬铝合金或钛合金材料后负载块；
[0027]3和18－聚四氟乙烯材料套管；
[0028]4和19－钢或钛合金材料预应力连接件；
[0029]5、7、9、11、20、22、24、26、28、30－铜合金电极片；
[0030]6、8、10、12、21、23、25、27、29、31
‑
PZT发射型压电陶瓷元件；
[0031]15和34－硬铝合金或钛合金材料前负载块；
[0032]36－超声换能器；
[0033]37－增幅器；
[0034]38－超声模具。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]以超声换能器的机械谐振频率为控制变量，结构尺寸参数为设计变量，以超声换能器的机电耦合系数和前后振速比为目标函数，结合有源和无源材料机械和电性能参数设计所述超声换能器。
[0037]本专利技术超声换能器压电晶堆中心位于等效1/2波长后端30
‑
40
°
位置，在相同后辐射面结构基础上，提供两种压电晶堆超声换能器，以获得不同等效阻抗、工作带宽和输入电功率的超声换能器，在大功率超声设备应用条件下，均具有振幅高，低损耗，较高电声效率的特点。
[0038]本专利技术全新设计高声阻抗率紧固件和后辐射面，低声阻抗、复合型结构、高振幅放大倍数的前辐射面；为满足较高功率重量比，全新设计压电陶瓷元件结构尺寸，增大功率容量，提高超声换能器起振性能和发射效率，获得合理工作带宽、高振幅、大功率、低阻抗等综合优势。
[0039]本专利技术偶数层压电晶堆外径与换能器后负载块和前负载块定位块相同，配合前后负载块比例，得到较高机械品质因数和机电耦合系数以及较低的机械谐振频率。
[0040]本专利技术通过受力仿真分析，全新设计预应力连接件机械尺寸，优化材料调质技术，提高其抗拉强度、降低机械损耗，既保证静态恒定预应力下抗张强度，又保证较高频率往复伸缩运动情况下的疲劳强度在合理范围内。
[0041]本专利技术纵向激励压电晶堆和电极片沿纵向依次连接，换能器后负载块连接负电极片，再连接第一片厚度极化压电陶瓷元件负极，第一片厚度极化压电陶瓷片正极和正极电极片连接，第二片厚度极化压电陶瓷元件正极通过电极片与第一片厚度极化压电陶瓷片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，其特征在于：包括预应力连接件、紧固件、后负载块、偶数层压电陶瓷元件、配套电极片、套管和前负载块，所述套管依次穿过配套电极片和偶数层压电陶瓷元件的内孔，所述预应力连接件依次穿过后负载块、套管和偶数层压电陶瓷元件后装入前负载块，并通过紧固件锁紧装配，装配后的预应力连接件、紧固件、后负载块、偶数层压电陶瓷元件、配套电极片、套管和前负载块为同心设计。2.根据权利要求1所述的一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，其特征在于：所述紧固件和预应力连接件采用高强度钢或钛合金材料制成。3.根据权利要求1所述的一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，其特征在于：所述后负载块和前负载块为硬铝合金或钛合金材料制成。4.根据权利要求1所述的一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，其特征在于：所述配套电极片为镀银铜合金或铍青铜材料制成。5.根据权利要求1所述的一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷元件为PZT发射型材料成型烧结极化的圆环片，压电陶瓷元件的外径厚度9
±
2mm、带中心圆孔。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郁涛，祝乃轩，方杰，徐林，刘细宝，金杭超，
申请(专利权)人：杭州瑞利超声科技有限公司，
类型：发明
国别省市：