CN109248847B - 一种超声换能器及端面椭圆振动*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声振动技术领域，提供了一种超声换能器及端面椭圆超声振动***，超声换能器包括对称设置的第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆，二者对应的压电陶瓷片极性相反；第一压电陶瓷堆的第二电极片一与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片一相互对称，所述第一压电陶瓷堆的第二电极片二与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片二相互对称，从而能够在通入不同信号的条件下，使得不同位置的第二电极片一、第二电极片二对应的压电陶瓷片产生相应的收缩或膨胀变形，从而在换能器的端面形成弯曲振动的复合，进而可在换能器的端面耦合出椭圆振动；超声换能器呈夹心式结构，装配简单、制造成本低。

Description

一种超声换能器及端面椭圆振动***

技术领域

本发明涉及超声振动技术领域，尤其涉及一种超声换能器及端面椭圆振动***。

背景技术

超声椭圆振动在超声马达、超声加工、超声辅助加工、超声手术刀、超声研磨、超声抛光等领域均有广泛运用。很多情况下需要使用端面上的椭圆振动，使换能器能够在其端面实现椭圆振动，而不是轴向的椭圆振动，以实现相应的需求，现有技术通常利用贴片式压电换能器等形式来实现在换能器端面上的椭圆振动，但贴片是压电换能器装配复杂，制造困难，需保证贴合时压电陶瓷与主体结构连接的牢固性，制作成本高昂。因此，需要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在提供一种装配简单、制造成本低的超声换能器，以实现换能器端面上的椭圆振动，并提供了一种具有该超声换能器的端面椭圆振动***。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种超声换能器，包括第一盖板、第二盖板和夹在二者之间的压电陶瓷堆，所述压电陶瓷堆上设置有用于输入激励电信号的第一输入端和第二输入端，其中：所述压电陶瓷堆包括对称设置的第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆，所述第一盖板和所述第二盖板固定连接；所述第一压电陶瓷堆包括层叠设置的压电陶瓷片、第一电极片和成对且相互绝缘的第二电极片，所述第二压电陶瓷堆与所述第一压电陶瓷堆结构相同，并且二者对应的压电陶瓷片极性相反；每对所述第二电极片包括相互绝缘的第二电极片一和第二电极片二；所述第一压电陶瓷堆的第二电极片一与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片一相互对称，所述第一压电陶瓷堆的第二电极片二与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片二相互对称。

作为上述技术方案的改进，所述第一压电陶瓷堆包括压电陶瓷单元，所述压电陶瓷单元包括一片所述第一电极片、一对所述第二电极片和两片压电陶瓷片，两片压电陶瓷片分别为极性相反的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，自所述压电陶瓷单元的一端至另一端依次层叠设置所述第一电极片、所述第一压电陶瓷片、一对所述第二电极片、所述第二压电陶瓷片。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一压电陶瓷堆包括若干组压电陶瓷单元，并以一组压电陶瓷单元的第二压电陶瓷片连接另一组压电陶瓷单元的第一电极片的方式层叠设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述压电陶瓷片和所述第一电极片分别为半圆环形，所述第二电极片为1/4圆环形。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一压电陶瓷堆上的第二电极片一的位置轴向对应，所述第一压电陶瓷堆上的第二电极片二的位置轴向对应；所述第二压电陶瓷堆上的第二电极片一的位置轴向对应，所述第二压电陶瓷堆上的第二电极片二的位置轴向对应。

作为上述技术方案的进一步改进，所有所述第一电极片电连接，所述第二电极片一电连接并与所述第一电极片电连接形成所述第一输入端，所述第二电极片二电连接并与所述第一电极片电连接形成所述第二输入端。

作为上述技术方案的进一步改进，每对所述第二电极片中的所述第二电极片一和所述第二电极片二之间具有间隙或通过绝缘件隔开。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一压电陶瓷堆的两端均设有第一电极片。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括固定件，所述第一盖板和所述第二盖板通过所述固定件固定连接。

还提供了一种端面椭圆振动***，包括信号发生器和上述的超声换能器，所述信号发生器同时产生A信号和B信号两路激励信号，A信号和B信号的相位差为φ，0°＜φ＜180°；A信号作用于所述压电陶瓷堆上的第一输入端，B信号作用于所述压电陶瓷堆上的第二输入端，分别激励所述压电陶瓷片产生相应的膨胀或收缩。

作为上述技术方案的改进，还包括第一功率放大器和第二功率放大器，所述A信号通过所述第一功率放大器作用于所述第一输入端，所述B信号通过所述第二功率放大器作用于所述第二输入端。

本发明的有益效果是：

本发明超声换能器包括对称设置的第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆，二者对应的压电陶瓷片极性相反；第一压电陶瓷堆的第二电极片一与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片一相互对称，所述第一压电陶瓷堆的第二电极片二与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片二相互对称，从而能够在通入不同信号的条件下，使得不同位置的第二电极片一、第二电极片二对应的压电陶瓷片产生相应的收缩或膨胀变形，可根据李萨如图的相关知识，在换能器的端面形成弯曲振动的复合，从而可在换能器的端面耦合出椭圆振动；超声换能器呈夹心式结构，装配简单、制造成本低。端面椭圆振动***包括信号发生器和该超声换能器，通过信号发生器对压电陶瓷堆上的第一输入端和第二输入端分别输入具有φ(0°＜φ＜180°)角相位差的A信号、B信号，即可在超声换能器端面形成稳定的椭圆振动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明：

图1为本发明端面椭圆振动***一个实施例的组成示意框图；

图2为本发明超声换能器一个实施例的立体示意图；

图3为本发明超声换能器一个实施例的部分分解示意图；

图4为本发明超声换能器中第一压电陶瓷堆的一个实施例的结构示意图；

图5为本发明超声换能器中第二压电陶瓷堆的一个实施例的结构示意图；

图6为本发明超声换能器中压电陶瓷堆一个实施例的连接示意图；

图7为本发明的端面椭圆振动***进行振动测试的一个示意图；

图8为本发明的端面椭圆振动***通过振动测试在示波器上获取的超声换能器端面振动的图形。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图1～8对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中所涉及的上、下、左、右等方位描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1为本发明端面椭圆振动***一个实施例的组成示意框图，参考图1，端面椭圆振动***包括信号发生器1、第一功率放大器2、第二功率放大器3和超声换能器4，超声换能器4包括第一盖板、第二盖板和夹在二者之间的压电陶瓷堆，压电陶瓷堆上设置有第一输入端4和第二输入端5，信号发生器1同时产生A信号和B信号两路激励信号，A信号和B信号具有一个φ角的相位差，0°＜φ＜180°；A信号作用于压电陶瓷堆73上的第一输入端4，B信号作用于压电陶瓷堆上的第二输入端5，从而激励压电陶瓷片进行相应的膨胀或收缩(逆压电效应)，从而激发换能器的弯曲共振，振动的复合使得超声换能器4在第一盖板的端面产生稳定的椭圆振动。该超声换能器4的结构及功能将在下文详述。第一功率放大器2和第二功率放大器3是用于对信号进行功率放大，具体地，A信号通过第一功率放大器2作用于压电陶瓷堆上的第一输入端5，B信号通过第二功率放大器3作用于压电陶瓷堆上的第二输入端6。

图2为本发明超声换能器一个实施例的立体示意图，图3为本发明超声换能器一个实施例的部分分解示意图，同时参考图2、3，超声换能器4包括第一盖板41、第二盖板42和夹在二者之间的压电陶瓷堆43，形成夹心式结构的超声换能器。压电陶瓷堆43上设置有第一输入端5和第二输入端6；压电陶瓷堆43包括第一压电陶瓷堆43a、第二压电陶瓷堆43b，第一盖板41和第二盖板42固定连接；第一压电陶瓷堆43a和第二压电陶瓷堆43b对称设置，第一压电陶瓷堆43a包括层叠设置的压电陶瓷片431、第一电极片432、成对且相互绝缘的第二电极片433，两两之间可利用环氧树脂胶进行胶合；第二压电陶瓷堆与第一压电陶瓷堆结构相同，并且二者对应的压电陶瓷片431极性相反。每对第二电极片433包括相互绝缘的第二电极片一433a和第二电极片二433b，每对第二电极片中的第二电极片一和第二电极片二之间具有间隙以进行电气隔离，或通过绝缘件隔开，以实现绝缘。

第一压电陶瓷堆的第二电极片一与第二压电陶瓷堆的第二电极片一相互对称，第一压电陶瓷堆的第二电极片二与第二压电陶瓷堆的第二电极片二相互对称。从而能够在通入不同信号的条件下，使得不同位置的第二电极片一、第二电极片二对应的压电陶瓷片产生相应的收缩或膨胀变形，从而可根据李萨如图的相关知识，在换能器的端面形成弯曲振动的复合，从而可在换能器的端面耦合出椭圆振动。超声换能器4整体形成夹心式的结构，与现有技术中贴片式的椭圆振动超声换能器相比，具有装配简单、制造成本低、机电耦合效率高的优点，解决了贴片式的椭圆振动超声换能器装配复杂，制造困难，制作成本高昂的问题。

第一盖板41和第二盖板42通过一固定件44固定连接。本实施例中，该固定件44为螺栓，第一盖板41上设置有内螺纹孔，第二盖板42上设置有供固定件44穿设的通孔，固定件44穿过第二盖板42和压电陶瓷堆43，然后旋入第一盖板41上的内螺纹孔中，从而将第一盖板41、第二盖板42和压电陶瓷堆43进行固定连接。

图4为本发明超声换能器中第一压电陶瓷堆的一个实施例的结构示意图，图5为本发明超声换能器中第二压电陶瓷堆的一个实施例的结构示意图，同时参考图4、5，本实施例中，第一压电陶瓷堆43a的结构和第二压电陶瓷堆43b的结构相同，以下以第一压电陶瓷堆43a为主进行说明。

第一压电陶瓷堆43a包括至少一个压电陶瓷单元43a1，该压电陶瓷单元包括一片第一电极片432、一对第二电极片433和两片压电陶瓷片431，两片压电陶瓷片分别为极性相反的第一压电陶瓷片431a和第二压电陶瓷片431b，自压电陶瓷单元的一端至另端(参考图中自上至下方向)依次层叠设置第一电极片432、第一压电陶瓷片431a、一对第二电极片433和第二压电陶瓷片431b，多个压电陶瓷单元以一组压电陶瓷单元的第二压电陶瓷片431b连接另一组压电陶瓷单元的第一电极片432的方式层叠设置，参考图中方向即为上下层叠设置，为提高传导效率第一压电陶瓷堆的两端均设有第一电极片432，以提高压电陶瓷堆与第一盖板、第二盖板之间的传导效率。第一电极片432、第二电极片433可为铜片。

本实施例第一压电陶瓷堆43a和第二压电陶瓷堆分别设置了两个压电陶瓷单元43a1，位于下方的压电陶瓷单元下方还设置有一片第一电极片432。本实施例中，压电陶瓷片431和第一电极片432分别为半圆环形，第二电极片433为1/4圆环形，便于加工，可设置三者具有相同的内径和外径，从而压电陶瓷堆整体组成一柱状体，有利于振动的均匀传递，并且两个压电陶瓷堆上的第二电极片一分别对应两个压电陶瓷堆上的压电陶瓷片相对的一半，而非相邻的一半；两个压电陶瓷堆上的第二电极片二分别对应两个压电陶瓷堆上的压电陶瓷片的另外一半，使得从第二电极片一和第二电极片二输入的信号分别激励对应的压电陶瓷片的部分产生相互垂直的两个方向的弯曲振动，且由于输入的A信号、B信号具有一个φ角(0°<φ<180°)的相位差，两个弯曲振动也将具有相位差，根据李萨如图的相关知识，该弯曲振动的复合可在换能器的端面耦合出椭圆振动，从而在换能器端面形成稳定的椭圆振动。相应的，超声换能器的第一盖板和第二盖板均为与压电陶瓷堆同轴的柱状结构，并且可设置第一盖板和第二盖板的外径与压电陶瓷堆的外径相同或相近，使得装配完成后超声换能器整体为柱状结构。第一压电陶瓷堆上的第二电极片一433a的位置轴向对应，第一压电陶瓷堆上的第二电极片二433b的位置轴向对应；第二压电陶瓷堆上的第二电极片一433a的位置轴向对应，第二压电陶瓷堆上的第二电极片二433b的位置轴向对应。第一压电陶瓷堆上的第二电极片一433a与第二压电陶瓷堆上的第二电极片一433a相互对称，第一压电陶瓷堆上的第二电极片二433b与第二压电陶瓷堆上的第二电极片二433b相互对称。因此可将两个压电陶瓷堆的第二电极片一433a电连接并连接第一电极片432，形成第一输入端，将第二电极片二433b电连接，并连接第一电极片432，形成第二输入端。当然，压电陶瓷片、第一电极片和第二电极片也可以为其他形状，例如横截面为正方形、正六边形等等的结构。

本实施例中，两个压电陶瓷堆的压电陶瓷片组合极性相反，并且，第一压电陶瓷堆上的第二电极片一与第二压电陶瓷堆上的第二电极片一对称，第一压电陶瓷堆上的第二电极片二与第二压电陶瓷堆上的第二电极片二对称，分别对第一输入端和第二输入端输入具有相位差的两个不同的信号，即可使得两个压电陶瓷堆上的第二电极片一对应的压电陶瓷片产生相反的变形，例如第一压电陶瓷堆上的第二电极片一对应的压电陶瓷片产生收缩变形，而第二压电陶瓷堆上的第二电极片一对应的压电陶瓷片产生膨胀变形，因此在压电陶瓷片中产生一弯曲力矩，从而激发整个超声换能器产生一个弯曲振动；同理，使得两个压电陶瓷堆上的第二电极片二对应的压电陶瓷片产生相反的变形，同时产生另一弯曲力矩，激发超声换能器产生另一弯曲振动，两种振动复合可在换能器端面形成椭圆振动。

本实施例中，第一压电陶瓷堆43a包括两组层叠的压电陶瓷单元43a1，第一压电陶瓷堆43a的两端均设有一个第一电极片432，即包括四个压电陶瓷片431、三个第一电极片432和两对第二电极片433，层叠顺序为：一个第一电极片432-一个压电陶瓷片431-一对第二电极片433-一个压电陶瓷片431-一个第一电极片432-一个压电陶瓷片431-一对第二电极片433-一个压电陶瓷片431-一个第一电极片432。通过前文所述的固定件穿过第一压电陶瓷堆、第二压电陶瓷堆各层结构围成的中心孔，从而将第一盖板、压电陶瓷堆、第二盖板固定安装，形成夹心式的换能器，安装简便，有助于减少制造成本。

图6为本发明超声换能器中压电陶瓷堆一个实施例的连接示意图，参考图6，以图3所示实施例为例，压电陶瓷堆的连接如图6，所有第一电极片432电连接，如图，第一电极片共负极，第一盖板和第二盖板为金属件，第一盖板和第二盖板均与第一电极片432连接，从而均为负极。。所有第二电极片一433a电连接，并与第一电极片432(负极)连接形成第一输入端5；所有第二电极片二433b电连接，并与第一电极片432(负极)连接形成第二输入端6。两个输入端共负极，可实现相位的调整。第一压电陶瓷堆43a的压电陶瓷片431组合和第二压电陶瓷堆43b的压电陶瓷片431组合的极性相反。第一电极片和第二电极片上分别设置有便于线路连接的连接耳。

由前文可知，具有上述超声换能器4的端面椭圆振动***，通过对压电陶瓷堆43上的第一输入端5和第二输入端6分别输入具有φ(0°＜φ＜180°)角相位差的A信号、B信号，由于A、B信号的频率与换能器产生弯曲振动的频率一致，基于压电陶瓷的逆压电效应，即可激发换能器的弯曲共振。利用相互垂直的两个方向的弯曲振动，且由于输入的A信号、B信号具有一个φ角(0°<φ<180°)的相位差，两个弯曲振动也将具有相位差，根据李萨如图的相关知识，该弯曲振动的复合可在换能器的端面耦合出椭圆振动，即使得第一盖板端面产生径向的椭圆运动，通过调整输入的A信号、B信号电压值的大小或调整φ角相位差，实现椭圆轨迹的调整，根据具体需要进行输入设置，即可得到所需的端面椭圆振动。

本发明的端面椭圆振动***工作时在超声换能器端面产生的端面椭圆振动，可通过实验进行测试，图7为本发明的端面椭圆振动***进行振动测试的一个示意图，图8为本发明的端面椭圆振动***通过振动测试在示波器上获取的超声换能器端面振动的图形，同时参考图7、8，通过图7所示的示意图对端面椭圆振动***进行振动测试，其中，通过第一激光发生器71检测超声换能器4端面在y方向的振动，并将该y方向的振动信号输入第一测振仪73，同时同第二激光发生器72检测超声换能器4在x方向的振动，并将该x方向的振动信号输入第二测振仪74，两台测振仪同时输出信号至示波器75，从而获取超声换能器4端面在x、y两个方向的振动复合形成的椭圆轨迹模型。第一激光发生器71和第二激光发生器72为常规的多普勒激光器，第一测振仪73和第二测振仪74为常规的多普勒测振仪。图8显示的是当该端面椭圆振动***的电压信号输入相位差φ为60°的正弦电压信号时，超声换能器4端面椭圆运动轨迹，在示波器上以x、y模式显示的椭圆运动轨迹图。

综上，本发明的超声换能器结构简单，并且对称夹心式的压电陶瓷堆在工作时，其压电陶瓷片一直处于受压状态，使得输出稳定，有助于提高振动***的稳定性，形成稳定的端面椭圆轨迹。具有该超声换能器的端面椭圆振动***，通过对压电陶瓷堆上的第一输入端和第二输入端分别输入具有φ(0°＜φ＜180°)角相位差的A信号、B信号，即可在超声换能器端面形成稳定的椭圆振动。

上述仅为本发明的较佳实施例，但本发明并不限制于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出多种等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.一种超声换能器，其特征在于：包括第一盖板、第二盖板和夹在二者之间的压电陶瓷堆，所述压电陶瓷堆上设置有用于输入激励电信号的第一输入端和第二输入端，其中：

所述压电陶瓷堆包括对称设置的第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆，所述第一盖板和所述第二盖板固定连接；

所述第一压电陶瓷堆包括层叠设置的压电陶瓷片、第一电极片和成对且相互绝缘的第二电极片，所述第二压电陶瓷堆与所述第一压电陶瓷堆结构相同，并且二者对应的压电陶瓷片极性相反；

每对所述第二电极片包括相互绝缘的第二电极片一和第二电极片二；所述第一压电陶瓷堆的第二电极片一与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片一相互对称，所述第一压电陶瓷堆的第二电极片二与所述第二压电陶瓷堆的第二电极片二相互对称。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述第一压电陶瓷堆包括压电陶瓷单元，所述压电陶瓷单元包括一片所述第一电极片、一对所述第二电极片和两片压电陶瓷片，两片压电陶瓷片分别为极性相反的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，自所述压电陶瓷单元的一端至另一端依次层叠设置所述第一电极片、所述第一压电陶瓷片、一对所述第二电极片、所述第二压电陶瓷片。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于：所述第一压电陶瓷堆包括若干组压电陶瓷单元，并以一组压电陶瓷单元的第二压电陶瓷片连接另一组压电陶瓷单元的第一电极片的方式层叠设置。

4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷片和所述第一电极片分别为半圆环形，所述第二电极片为1/4圆环形。

5.根据权利要求3所述的超声换能器，其特征在于：所述第一压电陶瓷堆上的第二电极片一的位置轴向对应，所述第一压电陶瓷堆上的第二电极片二的位置轴向对应；所述第二压电陶瓷堆上的第二电极片一的位置轴向对应，所述第二压电陶瓷堆上的第二电极片二的位置轴向对应。

6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所有所述第一电极片电连接，所述第二电极片一电连接并与所述第一电极片电连接形成所述第一输入端，所述第二电极片二电连接并与所述第一电极片电连接形成所述第二输入端。

7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：每对所述第二电极片中的所述第二电极片一和所述第二电极片二之间具有间隙或通过绝缘件隔开。

8.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述第一压电陶瓷堆的两端均设有第一电极片。

9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：还包括固定件，所述第一盖板和所述第二盖板通过所述固定件固定连接。

10.一种端面椭圆振动***，其特征在于：包括信号发生器和权利要求1～9中任一项所述的超声换能器，所述信号发生器同时产生A信号和B信号两路激励信号，A信号和B信号的相位差为φ，0°＜φ＜180°；A信号通过所述第一输入端作用于所述压电陶瓷堆上的所述第二电极片一，B信号通过所述第二输入端作用于所述压电陶瓷堆上的所述第二电极片二，分别激励对应的所述压电陶瓷片产生相应的膨胀或收缩变形。

11.根据权利要求10所述的端面椭圆振动***，其特征在于：还包括第一功率放大器和第二功率放大器，所述A信号通过所述第一功率放大器作用于所述第一输入端，所述B信号通过所述第二功率放大器作用于所述第二输入端。