[发明专利]一种夹心式压电陶瓷超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及换能器，尤其涉及一种夹心式压电陶瓷超声换能器。

背景技术

在大功率超声换能器中，换能器的实际输出功率受到许多因素制约。其中机械极限是制约换能器输出功率的一个重要因素。对于夹心式压电陶瓷超声换能器，若用                                                、表示压电陶瓷及螺栓的最大张应力，、表示压电陶瓷中的预应力及螺栓中的最大动态应力，、表示陶瓷及螺栓的疲劳应力极限，则换能器正常工作时应满足下列条件：

                                                

                                  

其中、为安全系数，、为压电陶瓷及螺栓的横截面积。

可见，当换能器的材料确定时，结构和预应力是决定其机械极限的关键因素。传统夹心式压电陶瓷超声换能器中，压电陶瓷片组沿换能器轴向的应力分布很不均匀，最大应力与最小应力相差很大，如此大的应力梯度极易使压电陶瓷片碎裂，这将大大降低换能器的机械极限，从而制约换能器输出功率。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种夹心式压电陶瓷超声换能器，包括中心压电陶瓷片组、前金属盖板、后金属盖板、螺母、预应力螺栓、金属电极片组、金属电极片、金属导电件、预应力螺栓绝缘套管，其特征在于：所述中心压电陶瓷片组与所述金属电极片组互相贴合，所述预应力螺栓紧固连接所述前金属盖板，所述中心压电陶瓷片组、所述后金属盖板和所述金属电极片组以所述预应力螺栓为中心轴串接在一起，所述螺母紧固于所述预应力螺栓的一端，所述预应力螺栓穿过所述预应力螺栓绝缘套管，所述前金属盖板和所述后金属盖板在与所述中心压电陶瓷片组的非接触部分内部分别开有凹槽。

作为本发明的进一步改进，开在所述前金属盖板和所述后金属盖板内部的凹槽是以预应力螺栓轴心为圆心的环形槽。更好的改善压电陶瓷片应力分布过于集中的的情况。

作为本发明的进一步改进，所述前金属盖板在中间开有一轴向方向的凹槽，该凹槽直径与所述预应力螺栓的直径差值为1mm至2mm。预应力螺栓能通过该凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述开在前金属盖板的轴向凹槽底部开有一螺纹凹槽，该螺纹凹槽的直径适配所述预应力螺栓直径。预应力螺栓通过该螺纹凹槽紧固连接前金属盖板。

作为本发明的进一步改进，所述后金属盖板中间有一轴向方向的过孔，该过孔直径与所述预应力螺栓的直径差值为1mm至2mm，所述预应力螺栓直径为8mm至20mm。过孔供预应力螺栓通过，更好的将前、后金属盖板通过预应力螺栓连接起来。

作为本发明的进一步改进，所述中心压电陶瓷片组包含从前到后排布的二的整数倍片压电陶瓷片，所述金属电极片组包含与所述压电陶瓷片数量相同的金属电极片。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极片和所述压电陶瓷片从前到后交互贴合。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极片均有露出表面的金属导电件。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极片和所述压电陶瓷片垂直于轴向方向的截面为圆环状。

作为本发明的进一步改进，所述预应力螺栓的材料为40号铬钢或工具钢或钛合金，所述螺母和所述后金属盖板的材料为45号钢或铜或钛合金，所述前金属盖板的材料为铝合金或铝镁合金或钛合金，所述压电陶瓷材料为PZT-8或PZT-4材料。

本发明的有益效果是：取如下所述参数的夹心式压电陶瓷超声换能器来说明：换能器具体尺寸：螺杆直径12mm，长70mm；螺母直径38mm，长10mm；后盖板长20mm，其中变截面部分长5mm；前盖板长50mm；压电陶瓷片的规格为Φ50×Φ20×5mm，即外径50mm、内径20mm、厚度5mm。换能器各部件材料：预应力螺栓用高强度的40号铬钢，螺母、后金属盖板用45号钢，前金属盖板用铝合金，中心压电陶瓷片组的材料为PZT-8。压电陶瓷片数量为4片。开在前、后金属盖板与压电陶瓷非接触部分内部的金属凹槽具体情况如下：在后金属盖板中距第一压电陶瓷片4mm的位置开一宽1mm、深5.2mm的环形槽，在前金属盖板中距第四压电陶瓷片6.4mm的位置开了一宽1.6mm、深6.1mm的环形槽。该环形槽是以预应力螺栓轴心为圆心的环形槽。