专利名称：一种切向伸缩式超声波扭转换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种换能器，更特别地说，是指一种切向伸缩式超声波扭转振动换能 器，适用于超声波振动切削(振动钴削、振动铰削和振动攻丝)、超声焊接、超声波 马达和超声疲劳实验等领域。
技术背景在振动切削领域，特别是难加工材料加工和微小孔加工方面，扭转振动具有明显优势。超声波扭转振动钴孔能够显著降低钴削力、提高钻孔质量、降低出口毛刺；超 声波扭转振动铰削能够抑制低速加工中产生的积屑瘤、提高孔的表面质量；超声波扭 转振动攻丝能够大大降低攻丝扭矩、提高攻丝效率、提高刀具寿命和螺纹质量。在超声波焊接领域，采用扭转振动在某些情况下比其它振动形式更为有效。超声 塑料焊接方面，采用扭转振动的大尺寸焊接工具头比纵向振动容易设计。在超声波马达领域，扭转振动是驱动超声马达转子运动最直接的振动形式。超声振动用于疲劳实验，可将实验效率提高数百倍。相对于其他类型的超声振动，扭转振动换能器是一种较难实现的换能器形式。理 论上可以通过切向极化的压电陶瓷制作扭转换能器，伹是切向极化的压电陶瓷在制造 工艺上很难实现。使用长度方向极化的压电陶瓷按照一定的粘接方法，也可以得到实 现扭转振动，但是这种方法制造的扭转换能器功率和输出振幅较小。通过特殊结构也 可以把纵向超声振动转换为扭转振动，但是结构较为复杂。利用f莫式转换方式也可以 把弯曲振动方式转化为扭转振动，伹这种形式在激励方面显得较为复杂，需两路波形 准确耦合，另外这种扭转换能器的功率和振幅不是很大，并夹杂其它模式的振动。 发明内容为了应用较为简单的结构器件实现超声纯扭转振动，本发明提供一种切向伸縮式 超声波扭转换能器，该扭转换能器将超声波电源输出的电信号转换成两个频率振幅相 同、方向相同的切向伸缩振动，通过变幅杆对振幅的放大，直接在换能器的前端端部 产生扭转振动，这种换能器结构简单，制作方便，输出功率振幅大。5本发明的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，包括有前盖体、后盖体、A驱动组 件、B驱动组件和四个长螺钉(A长螺钉、B长螺钉、C长螺钉、D长螺钉)，A驱 动组件与B驱动组件的结构相同。四个长螺钉、两个驱动组件与前盖体、后盖体的连接关系为A驱动组件中的A电极与后盖体的D连接臂的D侧面接触，A驱动组件中的C 电极与前盖体的A连接臂的接触面接触，用B长螺钉顺次穿过W通孔、A通孔、C 通孔、E通孔、G通孔、I通孔后螺纹连接在B螺纹孔上，用A长螺钉顺次穿过X 通孔、B通孔、D通孔、F通孔、H通孔、J通孔后螺纹连接在A螺纹孔上。B驱动组件中的F电极与后盖体的C连接臂的C侧面接触，B驱动组件中的D 电极与前盖体的B连接臂的接触面接触，用D长螺钉顺次穿过U通孔、S通孔、Q 通孔、O通孔、M通孔、K通孔后螺纹连接在D螺纹孔上，用C长螺钉顺次穿过V 通孔、T通孔、R通孔、P通孔、N通孔、L通孔后螺纹连接在C螺纹孔上。本发明一种切向伸缩式超声波扭转换能器的优点(1) A驱动组件和B驱动组件能够产生一对频率振幅相同、振动方向相同的伸缩振动。并且两组驱动组件无驱动相位差，只需单路超声波电源驱动，驱动方式简单。(2) 通过在前盖体的连接臂与后盖体的连接臂上相对安装两个驱动组件，直接能够 驱动前盖体上的两个连接臂产生切向伸缩振动。(3) 前盖体、后盖体采用叉形臂设计，可以将驱动组件产生的伸缩振动直接生成前 盖体的扭转振动，并经变幅杆放大后输出。(4) 前盖体和后盖体的非对称设计保证了产生的扭转波顺利向变幅杆前端传递，能 量损失少，可通过后盖体上的连接端实现换能器的固定或连接。(5) 本发明换能器结构简单，器件少，压电陶瓷制作和粘结容易。
图1是本发明一种切向伸缩式超声波扭转换能器的结构图。图1A是本发明一种切向伸缩式超声波扭转换能器的分解图。图2是本发明A驱动组件的结构图。图3是本发明B驱动组件的结构图。图4是本发明前盖体的结构图。图4A是本发明前盖体的另一视角结构图。图4B是图4A的A向视图。图5是本发明后盖体的结构图。
图5A是本发明后盖体的另一视角结构图。
图5B是图5A的B向视图。
图中l.前盖体101.变幅杆102.圆柱座121.上板面
122.中心通孔103.A连接臂131.A接触面132.A螺纹孔133.B螺纹孔
134.A连接臂圆面104.B连接臂141.B接触面142.C螺纹孔143.D螺纹孔
144.B连接臂圆面2.后盖体201.连接端202.圆柱座203.C连接臂
231.C接触面232.U通孔233.V通孔235.A侧面204.D连接臂
241.D接触面242.W通孔243.X通孔245.B侧面3.A驱动组件
31.A电极311.A通孔312.B通孔313.A接线端32.A压电陶瓷片
321.C通孔322.D通孔33.B电极331.E通孔332.F通孔
333.B接线端34.B压电陶瓷片341.G通孔342.H通孔
35.C电极351.1通孔352.J通孔353.C接线端4.B驱动组件
41.D电极411.K通孔412丄通孔413.D接线端42.C压电陶瓷片
421.M通孔422.N通孔43.E电极431.0通孔432.P通孔
433.E接线端44.D压电陶瓷片441.Q通孔442.R通孔
45.F电极451.S通孔452.T通孔453.F接线端
ll.A长螺钉12.B长螺钉13.C长螺钉14.D长螺钉
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，包括有前盖体l、后盖体2、 A驱动组件3、 B驱动组件4和四个长螺钉(A长螺钉11、 B长螺钉12、 C长螺钉13、
D长螺钉14) ， A驱动组件3与B驱动组件4的结构相同。一、前盖体1
参见图4、图4A、图4B所示，前盖体1为一体成型加工器件，前盖体1按照实现的功能分为变幅杆101、圆柱座102、 A连接臂103和B连接臂104。
A连接臂103的接触面131上设有A螺纹孔132、 B螺纹孔133，且A螺纹孔132和B螺纹孔133贯穿接触面131与A连接臂圆面134。
B连接臂104的接触面141上设有C螺纹孔142、 D螺纹孔143，且C螺纹孔142和D螺纹孔143贯穿接触面141与B连接臂圆面144。
圆柱座102的上板面121的中心设有中心通孔122，该中心通孔122贯穿圆柱座102和变幅杆101。在圆柱座102的前端设置有变幅杆101，该变幅杆101用于实现扭转振动振幅放大。
在圆柱座102的后端设置有A连接臂103和B连接臂104，该A连接臂103和B连接臂104用于安装驱动组件。
A连接臂103的禊形角《 = 110~ 130度，A连接臂103的A接触面131的宽记为A，圆柱座102的半径记为/ ，贝iJ有A-l/2 2/3i 。
在本发明中，前盖体l采用声阻比小的材料进行加工，如硬铝、钛合金等。
二、 后盖体2
参见图5、图5A、图5B所示，后盖体2为一体成型加工器件，后盖体2按照实现的功能分为连接端201、圆柱座202、 C连接臂203和D连接臂204。
C连接臂203的C接触面231上设有U通孔232、V通孔233，且U通孔232和V通孔233贯穿C接触面231与A侧面235。
D连接臂204的D接触面241上设有W通孔242、 X通孔243，且W通孔242和X通孔243贯穿D接触面241与B侧面245。
在圆柱座202的后端设置有连接端201 ，该连接端201用于实现换能器的固定与连接。在圆柱座202的前端设置有C连接臂203和D连接臂204。
C连接臂203的C接触面231的宽记为V ， C连接臂203的厚记为rf ，圆柱座202的半径记为w',则有A'-l/2 2/3/ '， c/=2/5 3/5/ '。
在本发明中，后盖体2采用声阻比大的材料进行加工，如45号钢、不锈钢等。
在本发明中，前盖体1的圆柱座102的半径w与后盖体2的圆柱座202的半径w'相等。
三、 A驱动组件3
参见图2所示，A驱动组件3包括有A电极31、 A压电陶瓷片32、 B电极33、B压电陶瓷片34和C电极35， A压电陶瓷片32与B压电陶瓷片34的结构相同，A电极31与C电极35的结构相同。
A电极31上设有A通孔311、 B通孔312、 A接线端313;该A接线端313
与超声波电源的负极相接。
A压电陶瓷片32上设有C通孔321、 D通孔322。在本发明中，A压电陶瓷片32选用型号PZT-8压电陶瓷片，工作频率范围为15&/fe ~4(U/fe ,振幅15//m ~40 //m 。B电极33上设有E通孔331、 F通孔332、 B接线端333;该B接线端333
与超声波电源的正极相接。
B压电陶瓷片34上设有G通孔341、 H通孔342。在本发明中，B压电陶瓷片34选用型号PZT-8压电陶瓷片，工作频率范围为15A/fz 4(U/fe ,振幅15//附 40 //附。
C电极35上设有I通孔351、 J通孔352、 C接线端353;该C接线端353
与超声波电源的负极相接。
位置关系以B电极33为中心位置，B电极33的一侧从里向外顺次是A压电陶瓷片32、 A电极31; B电极33的另一侧从里向外顺次是B压电陶瓷片34、 C电极35。 A电极31、 A压电陶瓷片32、 B电极33、 B压电陶瓷片34和C电极35上各自的通孔相互对齐后，用A长螺钉11和B长螺钉12实现将A驱动组件安装在前盖体1和后盖体2上。四、B驱动组件4
参见图3所示，B驱动组件4包括有D电极41、 C压电陶瓷片42、 E电极43、D压电陶瓷片44和F电极45， C压电陶瓷片42与D压电陶瓷片44的结构相同，D电极41与F电极45的结构相同。
D电极41上设有K通孔411、 L通孔412、 D接线端413;该D接线端413
与超声波电源的负极相接。
C压电陶瓷片42上设有M通孔421、 N通孔422。在本发明中，C压电陶瓷片42选用型号PZT-8压电陶瓷片，工作频率范围为15 Wfe 40A/fe ，振幅15;// ~40 //w 。
E电极43上设有0通孔431、 P通孔432、 E接线端433;该E接线端433
与超声波电源的正极相接。
D压电陶瓷片44上设有Q通孔441、 R通孔442。在本发明中，E压电陶瓷片44选用型号PZT-8压电陶瓷片，工作频率范围为15^fe 40Hfe ，振幅15//m 40 //附。
F电极45上设有S通孔451、 T通孔452、 F接线端453;该F线端453与超声波电源的负极相接。
9位置关系以E电极43为中心位置，E电极43的一侧从里向外顺次是C压电陶瓷片42、 D电极41; E电极43的另一侧从里向外顺次是D压电陶瓷片44、 F电极45。 D电极41、 C压电陶瓷片42、 E电极43、 D压电陶瓷片44和F电极45上各自的通孔相互对齐后，用C长螺钉13和D长螺钉14实现将A驱动组件安装在前盖体1和后盖体2上。
五、四个长螺钉、两个驱动组件与前盖体l、后盖体2的连接关系为
A驱动组件3中的A电极31与后盖体2的D连接臂24的D接触面241接触，A驱动组件3中的C电极35与前盖体1的A连接臂13的A接触面131接触，用B长螺钉12顺次穿过W通孔242、 A通孔311、 C通孔321、 E通孔331、 G通孔341、 I通孔351后螺纹连接在B螺纹孔133上，用A长螺钉11顺次穿过X通孔243、 B通孔312、 D通孔322、 F通孔332、 H通孔342、 J通孔352后螺纹连接在A螺纹孔132上。
B驱动组件4中的F电极45与后盖体2的C连接臂23的C接触面231接触，B驱动组件4中的D电极41与前盖体1的B连接臂14的B接触面141接触，用D长螺钉14顺次穿过U通孔232、 S通孔451、 Q通孔441、 0通孔431、 M通孔421、 K通孔411后螺纹连接在D螺纹孔143上，用C长螺钉13顺次穿过V通孔233、 T通孔452、 R通孔442、 P通孔432、 N通孔422、 L通孔412后螺纹连接在C螺纹孔142上。
本发明的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，两个驱动组件沿换能器的中心轴线对称分布，两个驱动组件在换能器切向方向上产生的一对频率、振幅、振动方向相同的伸缩振动，此振动使前盖体上的两个连接臂产生一对频率振幅相同，振动方向相同的切向振动，此振动直接使前盖体在切向方向产生纯扭转振动，经过变幅杆放大后输出大振幅扭转振动，以切向直接驱动的简单方式获得了超声波纯扭转振动。
权利要求
1、一种切向伸缩式超声波扭转换能器，其特征在于包括有前盖体(1)、后盖体(2)、A驱动组件(3)、B驱动组件(4)和四个长螺钉，A驱动组件(3)与B驱动组件(4)的结构相同，四个长螺钉是指A长螺钉(11)、B长螺钉(12)、C长螺钉(13)、D长螺钉(14)；前盖体(1)为一体成型加工器件，前盖体(1)按照实现的功能分为变幅杆(101)、圆柱座(102)、A连接臂(103)和B连接臂(104)；A连接臂(103)的A接触面(131)上设有A螺纹孔(132)、B螺纹孔(133)，且A螺纹孔(132)和B螺纹孔(133)贯穿A接触面(131)与连接臂圆面(134)；B连接臂(104)的B接触面(141)上设有C螺纹孔(142)、D螺纹孔(143)，且C螺纹孔(142)和D螺纹孔(143)贯穿B接触面(141)与连接臂圆面(144)；圆柱座(102)的上板面(121)的中心设有中心通孔(122)，该中心通孔(122)贯穿圆柱座(102)和变幅杆(101)；在圆柱座(102)的前端设置有变幅杆(101)，该变幅杆(101)用于实现扭转振动振幅放大；在圆柱座(102)的后端设置有A连接臂(103)和B连接臂(104)，该A连接臂(103)和B连接臂(104)用于安装驱动组件；后盖体(2)为一体成型加工器件，后盖体(2)按照实现的功能分为连接端(201)、圆柱座(202)、C连接臂(203)和D连接臂(204)；C连接臂(203)的C接触面(231)上设有U通孔(232)、V通孔(233)，且U通孔(232)和V通孔(233)贯穿C接触面(231)与A侧面(235)；D连接臂(204)的D接触面(241)上设有W通孔(242)、X通孔(243)，且W通孔(242)和X通孔(243)贯穿D接触面(241)与B侧面(245)；在圆柱座(202)的前端设置有连接端(201)，该连接端(201)用于实现换能器的固定与连接；在圆柱座(202)的后端设置有C连接臂(203)和D连接臂(204)；A驱动组件(3)包括有A电极(31)、A压电陶瓷片(32)、B电极(33)、B压电陶瓷片(34)和C电极(35)，A压电陶瓷片(32)与B压电陶瓷片(34)的结构相同，A电极(31)与C电极(35)的结构相同；A电极(31)上设有A通孔(311)、B通孔(312)、A接线端(313)；该A接线端(313)与超声波电源的负极相接；A压电陶瓷片(32)上设有C通孔(321)、D通孔(322)；B电极(33)上设有E通孔(331)、F通孔(332)、B接线端(333)；该B接线端(333)与超声波电源的正极相接；B压电陶瓷片(34)上设有G通孔(341)、H通孔(342)；C电极(35)上设有I通孔(351)、J通孔(352)、C接线端(353)；该C接线端(353)与超声波电源的负极相接；B驱动组件(4)包括有D电极(41)、C压电陶瓷片(42)、E电极(43)、D压电陶瓷片(44)和F电极(45)，C压电陶瓷片(42)与D压电陶瓷片(44)的结构相同，D电极(41)与F电极(45)的结构相同；D电极(41)上设有K通孔(411)、L通孔(412)、D接线端(413)；该D接线端(413)与超声波电源的负极相接；C压电陶瓷片(42)上设有M通孔(421)、N通孔(422)；E电极(43)上设有O通孔(431)、P通孔(432)、E接线端(433)；该E接线端(433)与超声波电源的正极相接；D压电陶瓷片(44)上设有Q通孔(441)、R通孔(442)；F电极(45)上设有S通孔(451)、T通孔(452)、F接线端(453)；该地F线端(453)与超声波电源的负极相接；四个长螺钉、两个驱动组件与前盖体(1)、后盖体(2)的连接关系为A驱动组件(3)中的A电极(31)与后盖体(2)的D连接臂(24)的D连接面(241)接触，A驱动组件(3)中的C电极(35)与前盖体(1)的A连接臂(13)的A接触面(131)接触，用B长螺钉(12)顺次穿过W通孔(242)、A通孔(311)、C通孔(321)、E通孔(331)、G通孔(341)、I通孔(351)后螺纹连接在B螺纹孔(133)上，用A长螺钉(11)顺次穿过X通孔(243)、B通孔(312)、D通孔(322)、F通孔(332)、H通孔(342)、J通孔(352)后螺纹连接在A螺纹孔(132)上；B驱动组件(4)中的F电极(45)与后盖体(2)的C连接臂(23)的C接触面(231)接触，B驱动组件(4)中的D电极(41)与前盖体(1)的B连接臂(14)的B接触面(141)接触，用D长螺钉(14)顺次穿过U通孔(232)、S通孔(451)、Q通孔(441)、O通孔(431)、M通孔(421)、K通孔(411)后螺纹连接在D螺纹孔(143)上，用C长螺钉(13)顺次穿过V通孔(233)、T通孔(452)、R通孔(442)、P通孔(432)、N通孔(422)、L通孔(412)后螺纹连接在C螺纹孔(142)上。
2、 根据权利要求1所述的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，其特征在于前盖体(1) 的A连接臂(103)的楔形角"=110 130度，A连接臂(103)的A接触面(131)的宽记为A,圆柱座(102)的半径记为7 ，则有A-l/2 2/3w。
3、 根据权利要求1所述的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，其特征在于后盖体(2) 的C连接臂(203)的C接触面(231)的宽记为A'， C连接臂(203)的厚记为"，圆柱座(202)的半径记为/ '，则有A' = 1/2~2/3/ ' ， d =2/5 3/5W 。
4、 根据权利要求1所述的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，其特征在于A压电陶瓷片(32)、 B压电陶瓷片(34)、 C压电陶瓷片(42)和D压电陶瓷片(44)选用型号PZT-8压电陶瓷片，工作频率范围为15A/fe 40;t他，振幅15//附~ 。
全文摘要
本发明公开了一种切向伸缩式超声波扭转换能器，其包括有前盖体、后盖体、A驱动组件、B驱动组件和四个长螺钉，A驱动组件与B驱动组件的结构相同。本发明的一种切向伸缩式超声波扭转换能器，两个驱动组件沿换能器的中心轴线对称分布，两个驱动组件在换能器切向方向上产生的一对频率、振幅、振动方向相同的伸缩振动，此振动使前盖体上的两个连接臂产生一对频率振幅相同，振动方向相同的切向振动，此振动直接使前盖体在切向方向产生纯扭转振动，经过变幅杆放大后输出大振幅扭转振动，以切向直接驱动的简单方式获得了超声波纯扭转振动。
文档编号B06B1/06GK101628283SQ20091009112
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者卢慧敏, 姜兴刚, 张德远, 张文全, 威 秦 申请人:北京航空航天大学