CN110102459A - 一种新型大功率超声波换能器 - Google Patents
一种新型大功率超声波换能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110102459A CN110102459A CN201910376956.4A CN201910376956A CN110102459A CN 110102459 A CN110102459 A CN 110102459A CN 201910376956 A CN201910376956 A CN 201910376956A CN 110102459 A CN110102459 A CN 110102459A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ceramic wafers
- ultrasonic transducer
- ceramic
- guard body
- wafers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 81
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims abstract description 70
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/20—Application to multi-element transducer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/50—Application to a particular transducer type
- B06B2201/55—Piezoelectric transducer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
本发明公开了一种新型大功率超声波换能器，前驱体、第一陶瓷晶片、第二陶瓷晶片、散热厚极片、第三陶瓷晶片、第四陶瓷晶片、后驱体、压块、螺杆、绝缘套筒、第一电极片、第二电极片、第三电极片、外壳、冷却气源接口和电源接口；本发明实现了超声换能器高效机电转换效率，低能量损耗，高抗张强度以及高效散热功能，保证换能器在大功率工况下长时间稳定工作，结构简单，安装方便，具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及超声波设备技术领域，特别涉及一种新型大功率超声波换能器。
背景技术
由于超声波在介质中传播时会产生许多物理、化学效应，超声学在焊接、清洗、裁切、加工等方面的工业应用日益广泛。工业上一般都是通过超声换能器在超声频率范围内将交变电能转换成超声振动，实现能量转换，其中压电超声换能器的应用最为广泛。随着超声应用的范围逐渐扩大，为了实现大功率、高声强的超声换能器，需要增加陶瓷晶片的尺寸获得较大的功率容量，这样就出现了几个问题：1、传统的半波长夹心式压电超声换能器会在换能器振动位移节点处设计法兰，用于安装外壳和夹持换能器。随着晶片径向尺寸的变大，半波长换能器位移节点处的横向振动变大，继续夹持在此处会增大换能器机械损耗，降低换能器的输出功率，同时会引起夹持处急剧发热，严重时会损坏换能器。2、传统的换能器设计，超声振子的位移节点设计在前驱体和压电陶瓷晶堆附近，一般会偏离压电陶瓷晶堆，由于压电陶瓷的机械强度比前驱体金属材料低，避开节点即应力最大位置可以避免陶瓷材料的破裂。随着晶片厚度尺寸的增大，对于常规换能器设计结构，其位移节点位置无法避免的分布在陶瓷内部，另外由于节点位于晶堆一侧，不同陶瓷晶片内应力差异较大，靠近前驱体的晶片振动时内应力最大，极易发生陶瓷晶片破裂，换能器损坏，大功率工况下尤为明显。3、大功率超声换能器还有一个常见的问题就是发热问题，由于大功率下能量转换会产生大量的热量，若是不采取有效的散热措施，压电陶瓷的温度不断升高，超过材料居里温度的一半，材料压电性能下降，换能器即会失效。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题，而提供一种新型大功率超声波换能器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种新型大功率超声波换能器，包括前驱体、第一陶瓷晶片、第二陶瓷晶片、散热厚极片、第三陶瓷晶片、第四陶瓷晶片、后驱体、压块、螺杆、绝缘套筒、第一电极片、第二电极片、第三电极片、外壳、冷却气源接口和电源接口；所述前驱体右端中连接有一个螺杆；所述螺杆外表面中端位置上设有一个绝缘套筒；所述绝缘套筒右侧设有一个后驱体，所述后驱体右侧设有一个压块，所述后驱体和压块均设置在螺杆外表面上；所述绝缘套筒外表面上从左至右依次设有第一陶瓷晶片、第二陶瓷晶片、散热厚极片、第三陶瓷晶片和第四陶瓷晶片；所述第一陶瓷晶片和第二陶瓷晶片之间设有一个第一电极片；所述第三陶瓷晶片和第四陶瓷晶片之间设有一个第二电极片；所述第四陶瓷晶片和后驱体之间设有一个第三电极片；所述外壳右侧端面上设有冷却气源接口和电源接口；所述前驱体设置在外壳中。
作为优选，所述散热厚极片呈齿轮状。
作为优选，所述第一陶瓷晶片、第二陶瓷晶片、散热厚极片、第三陶瓷晶片、第四陶瓷晶片、后驱体、压块、螺杆和绝缘套筒相互同心。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现了超声换能器高效机电转换效率，低能量损耗，高抗张强度以及高效散热功能，保证换能器在大功率工况下长时间稳定工作，结构简单，安装方便，具有较高的实用性。
(2)本发明第一位移节点位于前驱体中部附近位置，用于安装外壳并夹持换能器，可以有效降低换能器横向振动导致的机械损耗。
(3)本发明第二位移节点位于厚电极附近位置，设计双压电陶瓷晶堆成对称布置在厚电极两侧，陶瓷晶片分布在位移节点附近又避开了节点位置，保证机电转换效率的同时降低晶片内应力，避免大功率工况下晶片破裂引起换能器损坏。
(4)本发明通过带凸肩的压块和预应力螺栓配合，保证陶瓷晶片受到的预应力均匀分布，进一步降低晶片破裂风险。
(5)本发明通过带散热片的厚电极将晶片热量带出，换能器前后设计冷却气源接口和出风口，在换能器内部形成高速气流，实现快速散热的功能。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明前驱体的结构示意图。
图3为本发明压块的结构示意图。
图4为本发明散热厚极片的结构示意图。
1-前驱体；2-第一陶瓷晶片；3-第二陶瓷晶片；4-散热厚极片；5-第三陶瓷晶片；6-第四陶瓷晶片；7-后驱体；8-压块；9-螺杆；10-绝缘套筒；11-第一电极片；12-第二电极片；13-第三电极片；14-外壳；15-冷却气源接口；16-电源接口。
具体实施方式
如图1至图4所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种新型大功率超声波换能器，包括前驱体1、第一陶瓷晶片2、第二陶瓷晶片3、散热厚极片4、第三陶瓷晶片5、第四陶瓷晶片6、后驱体7、压块8、螺杆9、绝缘套筒10、第一电极片11、第二电极片12、第三电极片13、外壳14、冷却气源接口15和电源接口16；所述前驱体1右端中连接有一个螺杆9；所述螺杆9外表面中端位置上设有一个绝缘套筒10；所述绝缘套筒10右侧设有一个后驱体7，所述后驱体7右侧设有一个压块8，所述后驱体7和压块8均设置在螺杆9外表面上；所述绝缘套筒10外表面上从左至右依次设有第一陶瓷晶片2、第二陶瓷晶片3、散热厚极片4、第三陶瓷晶片5和第四陶瓷晶片6；所述第一陶瓷晶片2和第二陶瓷晶片3之间设有一个第一电极片11；所述第三陶瓷晶片5和第四陶瓷晶片6之间设有一个第二电极片12；所述第四陶瓷晶片6和后驱体7之间设有一个第三电极片13；所述外壳14右侧端面上设有冷却气源接口15和电源接口16；所述前驱体1设置在外壳14中。
其中，所述散热厚极片4呈齿轮状；所述第一陶瓷晶片2、第二陶瓷晶片3、散热厚极片4、第三陶瓷晶片5、第四陶瓷晶片6、后驱体7、压块8、螺杆9和绝缘套筒10相互同心。
本发明的工作原理为：前驱体1前半部分占半个波长，其中间位置附近为第一个位移节点，设计有薄壁法兰，用于安装换能器外壳14，夹持整个换能器，可以有效降低横向振动引起的能量损耗，避免夹持部发热问题。
前驱体1后半部分与陶瓷晶堆、电极、后驱体7和压块8等组件也占半个波长，其中前驱体1后半部分如图2中所示为变截面杆，起到聚能增大振幅的作用，换能器第二位移节点位于散热厚极片4处，避开陶瓷晶片位置，保证内应力最大点为金属材质，第一陶瓷晶片2和第二陶瓷晶片3组成第一陶瓷晶堆，第三陶瓷晶片5和第四陶瓷晶片6组成第二陶瓷晶堆，两组陶瓷晶堆对称分布在散热厚极片4两侧，保证各晶片振动和内应力均匀分布，同时晶片均靠近位移节点，以利于提高机电转换效率，预应力螺杆9通过螺纹连接前驱体1和压块8，如图3所示压块8设计有环形凸肩，通过凸肩来压紧后驱体7，对陶瓷晶堆施加预应力，保证陶瓷晶片受到均匀的预应力。进一步降低陶瓷破裂风险。各晶片中间布置有第一电极片11、第二电极片12和第三电极片13和散热厚极片4，连接电源接口16，用于超声电源接入，换能器中间布置有绝缘套管10，提高换能器工作稳定性。
散热厚极片4四周设计有多片散热片，可以快速的将陶瓷晶片产生的热量带出，外壳14后盖设计有冷却气源接口15，外接冷却用高压气源，前驱体1上薄壁法兰设计有散热孔，高压空气由此排出，在换能器内部形成高速气流，保证换能器良好散热功能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种新型大功率超声波换能器，其特征在于：包括前驱体(1)、第一陶瓷晶片(2)、第二陶瓷晶片(3)、散热厚极片(4)、第三陶瓷晶片(5)、第四陶瓷晶片(6)、后驱体(7)、压块(8)、螺杆(9)、绝缘套筒(10)、第一电极片(11)、第二电极片(12)、第三电极片(13)、外壳(14)、冷却气源接口(15)和电源接口(16)；
所述前驱体(1)右端中连接有一个螺杆(9)；
所述螺杆(9)外表面中端位置上设有一个绝缘套筒(10)；
所述绝缘套筒(10)右侧设有一个后驱体(7)，所述后驱体(7)右侧设有一个压块(8)，所述后驱体(7)和压块(8)均设置在螺杆(9)外表面上；
所述绝缘套筒(10)外表面上从左至右依次设有第一陶瓷晶片(2)、第二陶瓷晶片(3)、散热厚极片(4)、第三陶瓷晶片(5)和第四陶瓷晶片(6)；
所述第一陶瓷晶片(2)和第二陶瓷晶片(3)之间设有一个第一电极片(11)；
所述第三陶瓷晶片(5)和第四陶瓷晶片(6)之间设有一个第二电极片(12)；
所述第四陶瓷晶片(6)和后驱体(7)之间设有一个第三电极片(13)；
所述外壳(14)右侧端面上设有冷却气源接口(15)和电源接口(16)；
所述前驱体(1)设置在外壳(14)中。
2.根据权利要求1所述的一种新型大功率超声波换能器，其特征在于：所述散热厚极片(4)呈齿轮状。
3.根据权利要求1所述的一种新型大功率超声波换能器，其特征在于：所述第一陶瓷晶片(2)、第二陶瓷晶片(3)、散热厚极片(4)、第三陶瓷晶片(5)、第四陶瓷晶片(6)、后驱体(7)、压块(8)、螺杆(9)和绝缘套筒(10)相互同心。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910376956.4A CN110102459A (zh) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | 一种新型大功率超声波换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910376956.4A CN110102459A (zh) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | 一种新型大功率超声波换能器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110102459A true CN110102459A (zh) | 2019-08-09 |
Family
ID=67488605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910376956.4A Pending CN110102459A (zh) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | 一种新型大功率超声波换能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110102459A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111570244A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-08-25 | 盈甲医疗器械制造（上海）有限公司 | 一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械 |
| CN112773598A (zh) * | 2019-11-11 | 2021-05-11 | 深圳市钛金时代科技开发有限公司 | 一种同轴防水耐高温超声乳化手柄 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101777506A (zh) * | 2009-12-29 | 2010-07-14 | 天津大学 | 复频夹心结构超声换能器 |
| JP2014011737A (ja) * | 2012-07-02 | 2014-01-20 | Olympus Corp | 超音波振動デバイス、超音波振動デバイスの製造方法および超音波医療装置 |
| CN103521423A (zh) * | 2013-09-29 | 2014-01-22 | 天津大学 | 用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器 |
| CN104148270A (zh) * | 2014-08-05 | 2014-11-19 | 曹学良 | 一种适用于防爆环境的换能器连接方式 |
| CN205436251U (zh) * | 2015-11-30 | 2016-08-10 | 必诺机械（东莞）有限公司 | 一种超声换能器 |
| CN107595367A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-01-19 | 以诺康医疗科技（苏州）有限公司 | 超声手术刀用换能器 |
| CN109068937A (zh) * | 2015-12-08 | 2018-12-21 | 天津瑞奇外科器械股份有限公司 | 超声外科手术器械 |
| CN208554907U (zh) * | 2018-07-12 | 2019-03-01 | 四川大学 | 一种用于超声换能器的散热型电极片 |
-
2019
- 2019-05-07 CN CN201910376956.4A patent/CN110102459A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101777506A (zh) * | 2009-12-29 | 2010-07-14 | 天津大学 | 复频夹心结构超声换能器 |
| JP2014011737A (ja) * | 2012-07-02 | 2014-01-20 | Olympus Corp | 超音波振動デバイス、超音波振動デバイスの製造方法および超音波医療装置 |
| CN103521423A (zh) * | 2013-09-29 | 2014-01-22 | 天津大学 | 用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器 |
| CN104148270A (zh) * | 2014-08-05 | 2014-11-19 | 曹学良 | 一种适用于防爆环境的换能器连接方式 |
| CN205436251U (zh) * | 2015-11-30 | 2016-08-10 | 必诺机械（东莞）有限公司 | 一种超声换能器 |
| CN109068937A (zh) * | 2015-12-08 | 2018-12-21 | 天津瑞奇外科器械股份有限公司 | 超声外科手术器械 |
| CN107595367A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-01-19 | 以诺康医疗科技（苏州）有限公司 | 超声手术刀用换能器 |
| CN208554907U (zh) * | 2018-07-12 | 2019-03-01 | 四川大学 | 一种用于超声换能器的散热型电极片 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112773598A (zh) * | 2019-11-11 | 2021-05-11 | 深圳市钛金时代科技开发有限公司 | 一种同轴防水耐高温超声乳化手柄 |
| CN111570244A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-08-25 | 盈甲医疗器械制造（上海）有限公司 | 一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101777506B (zh) | 复频夹心结构超声换能器 | |
| CN102527628B (zh) | 一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器 | |
| US20070080609A1 (en) | Low loss ultrasound transducers | |
| CN110102459A (zh) | 一种新型大功率超声波换能器 | |
| CN108176574A (zh) | 一种串联复合结构双频多振幅压电超声换能器 | |
| CN101121165A (zh) | 压电超声换能器 | |
| CN204656898U (zh) | 一种新型双片夹心式超声换能器 | |
| CN201482706U (zh) | 一种柱形超声换能器 | |
| CN103041977A (zh) | 水密封装型超声清洗换能器 | |
| CN109701857B (zh) | 适应频率漂移的微宽频功率超声换能器 | |
| CN201410461Y (zh) | 一种圆管形压电超声换能器 | |
| CN108748366A (zh) | 模态叠加式纵-扭复合超声振动加工方法及装置 | |
| CN103436685A (zh) | 一种低电压大电流超声冲击装置 | |
| CN106552760B (zh) | 一种超声换能器 | |
| CN109499829A (zh) | 基于声子晶体槽的超声波振动***及其径向振动抑制方法 | |
| CN103521423B (zh) | 用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器 | |
| CN103212532A (zh) | T型大功率超声波换能器 | |
| CN112170150A (zh) | 一种用于钛及钛合金丝拉拔的超声波振子 | |
| CN211343852U (zh) | 一种带减振机构的近场超声悬浮装置 | |
| CN105689249B (zh) | 复合驱动压电超声管形换能器 | |
| CN111282791A (zh) | 一种超声波特种加工装备 | |
| CN106423810A (zh) | 性能参数可变的超声波变幅杆 | |
| CN111701832A (zh) | 超磁致伸缩棒形椭圆复合振动换能器及换能方法 | |
| CN110052390A (zh) | 一种超声波换能器 | |
| CN1032366A (zh) | 超声波细胞粉碎器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 48, 4916 Lane, Hongmei South Road, Minhang District, Shanghai, 200241 Applicant after: Shanghai Jiaocheng Electromechanical Equipment Co., Ltd. Address before: No. 48, 4916 Lane, Meinan Road, Minhang District, Shanghai, 200241 Applicant before: Shanghai Jiaocheng Electromechanical Equipment Co., Ltd. |
|
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190809 |