一种非对称结构低频高振幅大功率超声换能器的制作方法

1.本发明涉及超声换能器技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明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。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.在其中一些实施例中，所述套管由聚四氟乙烯模压成型。
11.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，
12.压电晶堆结构由4片压电陶瓷元件组成，其长度为92
±
3mm，
13.或
14.压电晶堆结构由6片压电陶瓷元件组成，其长度为72
±
3mm。
15.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。
16.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。
17.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。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明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。
19.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本技术的实施例对本技术进行详尽说明和了解。
附图说明
20.图1为实施例4片压电陶瓷元件超声换能器结构示意图；
21.图2为实施例4片压电陶瓷元件超声换能器结构剖面图；
22.图3为实施例6片压电陶瓷元件超声换能器结构示意图；
23.图4为实施例6片压电陶瓷元件超声换能器结构剖面图；
24.图5为实施例一种典型应用示意图。
25.图中：1和16－钢或钛合金材料紧固件；
26.2和17－硬铝合金或钛合金材料后负载块；
27.3和18－聚四氟乙烯材料套管；
28.4和19－钢或钛合金材料预应力连接件；
29.5、7、9、11、20、22、24、26、28、30－铜合金电极片；
30.6、8、10、12、21、23、25、27、29、31-pzt发射型压电陶瓷元件；
31.15和34－硬铝合金或钛合金材料前负载块；
32.36－超声换能器；
33.37－增幅器；
34.38－超声模具。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
36.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。
37.本发明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。
38.本发明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。
39.本发明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。
40.本发明通过受力仿真分析，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。
41.本发明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正极相连，依次连接下去，前负载块不连接电极片。
42.本发明提供一种技术方案：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。
43.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。
44.所述后负载块和前负载块为硬铝合金或钛合金材料制成。
45.所述配套电极片为镀银铜合金或铍青铜材料制成。
46.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。
47.所述套管由聚四氟乙烯模压成型。
48.所述前负载块的后端设置有压电晶堆结构，
49.压电晶堆结构由4片压电陶瓷元件组成，其长度为92
±
3mm，
50.或
51.压电晶堆结构由6片压电陶瓷元件组成，其长度为72
±
3mm。
52.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。
53.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，超声换能器通过前负载块内螺孔与增幅器或模具连接。
54.前负载块上沉孔的设计，有效控制结合端面形变量，有利于压电晶堆与前负载块
的机械耦合，另一方面有利于前负载块与增幅器的机械耦合，提高超声换能器传输效率，保证超声换能器具有较低的等效阻抗。
55.前负载块设计法兰结构，根据需要可为超声换能器安装套筒或二级法兰夹盘，提高超声换能器安全性能；可结合增幅器节面位置法兰盘形成双法兰稳定结构，在受力情况下保证纵向、横向运动及滚动工作模式下位移精度和同心度，确保超声换器组件能较好应用于精密加工设备。
56.其前负载块与压电晶堆连接处采用法兰结构，可外接多级法兰盘隔振，法兰最大外径为前负载块与增幅器连接面外径为过渡的弧度为r9
±
1mm，构成阶梯复合型振幅放大器。
57.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。
58.通过本技术方案的超声换能器，各部件之间为机械串联、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。所述换能器通过安装固定套筒，提高工作稳定性和安全防护等级。
59.实施例一
60.本发明第一实施例提供一种超声换能器，请参阅图1和图2，该超声换能器包括：沿轴向通过预应力连接件4依次连接紧固件1，后负载块2，绝缘套管3，电极片5、7、9、11，发射型压电陶瓷元件6、8、10、12，相邻两片压电陶瓷元件的厚度极化方向相反，使各压电陶瓷元件的纵向振动同相叠加一致振动，前后负载块和压电陶瓷元件负极通过电极片和预应力连接件与电源负极相连，整体通过恒定的预压力压紧，恒定的扭矩装配。
61.紧固件、后负载块、压电晶堆、定位块构成四分之一波长振动系统；前负载块法兰中心位置为半波长振动节面，前负载块构成四分之一波长振动系统。
62.前负载块采用声阻抗率较低，纵向抗拉强度380m-500mpa高强度硬铝合金或钛合金材料，实现压电晶堆产生的声能从前负载块高效辐射且有较高的抗断裂能力；根据频率方程分配前后振速比，充分考虑合理的径厚比和带宽，实际设计为输入端较大直径、输出端较小直径圆弧过渡阶梯复合聚能形状。
63.该压电晶堆构成的超声换能器纵向机械谐振频率远低于压电陶瓷元件自由谐振频率，瞬态最大功率8000w,选用铝合金材料前负载块时功率容量为4000w，在上述条件下选用国产压电陶瓷元件，实际标称额定功率为2000w；选用钛合金材料前负载块功率容量为6000w，在上述条件下选用国产压电陶瓷元件，所述实施例标称额定功率3000w。
64.实施例二
65.本发明第二实施例提供一种超声换能器，请参阅图3－图4，该超声换能器包括：通过预应力连接件19沿纵向依次连接以下部件，分别为紧固件16，后负载块17，发射型压电陶瓷元件21、23、25、27、29、31，电极片20、22、24、26、28、30，绝缘套管18，前负载块35。
66.同理相邻压电陶瓷元件按厚度极化方向相反连接，压电陶瓷元件通过电极片按电路并联、纵向机械串联方式连接，施加恒定的预压力，通过恒定的扭矩装配。
67.该压电晶堆构成的超声换能器瞬态最大功率12000w,当选用铝合金材料前负载块设计功率容量为6000w，配合国产压电元件实际标称额定功率为3000w；选用钛合金材料前
负载块功率容量8000w，配合国产压电元件标称额定功率3600w。
68.第二实施例较第一实施例，超声换能器的额定功率和有效工作带宽提高且阻抗更低，适用于更大功率的应用场合。但压电晶堆体积增大，强场下温度较高，使用时必须采用强制散热装置。
69.图5所示为无纺布材料民生类产品超声换能器焊接组件，其中超声换能器请参考本发明第二实施例，其中圆锥形超声增幅器为钛合金或高强度钢制造，图中所示超声模具主要用于无纺布口罩超声焊接。
70.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
71.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
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：所述套管由聚四氟乙烯模压成型。7.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：所述前负载块的后端设置有压电晶堆结构，压电晶堆结构由4片压电陶瓷元件组成，其长度为92
±
3mm，或压电晶堆结构由6片压电陶瓷元件组成，其长度为72
±
3mm。8.根据权利要求7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。9.根据权利要求7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。10.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。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：郁涛 祝乃轩 方杰 徐林 刘细宝 金杭超
受保护的技术使用者：杭州瑞利超声科技有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/6