适应频率漂移的微宽频功率超声换能器的制作方法

本发明涉及超声换能器技术领域，具体为一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器。

背景技术：

超声波换能器是能量转换器也是整个振动系统的关键，作为超声技术的核心器件换能器能进行机械能量、电能量和声能量的相互转换。换能器通过压电材料的压电效应将输入的高频电能转换成高频振动的机械能,并产生超声波。由于超声波与物质各种有益的相互作用，功率超声广泛应用于超声清洗、超声焊接和各种超声加工如车削、磨削、钻孔、光整加工等领域。超声波清洗利用超声空化的作用，使浸在液体中的物件的表面污物快速去掉，对不易清洗的结构如深孔、细缝等，超声清洗也能够到达比较好的清洗效果，相比于工艺清洗，超声清洗的工作效率高、减少了对环境的污染，清洗的效果更彻底，并且不伤害被清洗物件。超声焊接利用超声振动及空化的压力和高温效应，促使两种物质相互扩散，它的特点是不需要焊剂和外加热，不会因受热变形，没有残余应力，对焊件表面的焊前处理要求不高。超声加工利用超声高频振动，在传统的车削、磨削、钻孔等加工过程中施加超声振动形成的新加工方法，超声加工降低了切削力、提高了刀具的寿命、提高了加工精度。功率超声加工要求超声换能器产生高强度、大功率的超声波，有高的能量传输效率以及较大的振动位移。

功率超声换能器只有工作在谐振频率下（即系统处于共振状态）才能高效地运行，获得最大的振动位移。而在实际应用中，功率超声换能器的频率随着外界条件以及加工条件的变化而变化（如：加工温度、环境、元件老化、负载等因素的变化），系统频率会发生漂移，使换能器工作的工作频率脱离谐振频率附近，从而影响换能器以及加工系统的振动，系统振动的振幅也随之衰减，甚至出现停振的现象。针对功率超声加工中的频率漂移，目前的研究大都是通过频率跟踪和优化匹配网络来解决，但是频率漂移是动态过程，这类方法的实时性和准确性有待提高。

与本发明相关的现有技术一

现有技术一的技术方案

现有的方法都是通过合理的匹配网络和频率自动跟踪，使超声波电源输出的频率随换能器频率的变化而变化，如文献1,2,3和专利1。

现有技术一的缺点

只借助动态的频率跟踪都很难做到实时的跟踪，当功率超声加工的外界负载变化较大较快时或温升较快时，超声波电源的频率很难快速的做出改变，极容易导致换能器的损坏。

与本发明相关的现有技术二

现有技术二的技术方案

专利2

提出了一种应用于集成电路芯片热超声引线键合封连工艺的串联复合结构双频、多振幅压电超声换能器，目的是实现多种振幅输出并且此换能器的两端分别振动，输入频率为60khz和120khz，同时工作时输入的频率相同。

现有技术二的缺点

同时激励时，两头都会振动，能量损耗大。另外，此技术方案中，两组压电陶瓷片同时激振时通入的是同频激励信号，振动形式是两端分别振动。左右两个换能器是独立的，连接在一起时中间多加一个连接面，在连接处会增加了能量损耗。

与本发明相关的现有技术三

现有技术三的技术方案

专利3

提供了一种大功率的超声波换能器。该换能器包括第一换能器和第二换能器,两个换能器的正极和负极两两并联，谐振频率相同。

现有技术三的缺点

谐振频率相同，输入的频率也是相同的，此技术的目的是增加功率，和使用相同数量压电陶瓷片的一个压电陶瓷换能器效果基本类似。

前述参考文献如下：

文献1：杜劲超.基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪[j].应用声学，2013年09月第5期。

文献2：钟龙.基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究[d].北京交通大学.2015。

文献3：李夏林.超声电源频率自动跟踪的模糊控制算法研究[j].应用声学，2017年03月第2期。

专利1：清华大学.基于多阻抗零点互调匹配网络的宽带多频功率放大器.中国201710757007.12017.08cn107528548a。

专利2：张宏杰.一种串联复合结构双频多振幅压电超声换.中国201711389271.02017.12cn108176574a。

专利3：陈元平.串联式大功率换能器.中国201220035353.12012.02cn202460960u。

技术实现要素：

本发明为解决目前超声换能器的频率随外界条件变化发生漂移从而无法保证输出功率和振幅的技术问题，提供一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器，包括顺次共轴压紧排列的后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆和前盖板；还包括依次穿过后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆的中心并拧入前盖板内部进而将上述部件连接起来的双头螺柱；双头螺柱位于后盖板外的部分旋配有螺母；双头螺柱与后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆之间绝缘连接；

第一组压电陶瓷晶堆包括轴线与双头螺柱轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极，两个铜电极之间叠压压电陶瓷；靠近后盖板的铜电极作为负极，靠近中间圆柱的铜电极作为正极；作为正极的铜电极与中间圆柱之间也叠压压电陶瓷；第二组压电陶瓷晶堆包括轴线与双头螺柱轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极以及叠压在两个铜电极中间的压电陶瓷；其中靠近中间圆柱的铜电极作为负极，靠近前盖板的铜电极作为正极，作为正极的铜电极与前盖板之间叠压有压电陶瓷；第一组压电陶瓷晶堆的负极与第二组压电陶瓷晶堆的负极相连接；第一组压电陶瓷晶堆的正负极输入一定频率的电压，第二组压电陶瓷晶堆的正负极输入的电压频率与第一组压电陶瓷晶堆输入电压频率不同但相近。

本发明装置的目的在于提供一种自身具有一定变频作用的功率型压电超声换能器，当超声加工时由于外界负载、温度等的变化引起频率的变化、振幅的衰减时，换能器自身具有适应一定频率变化的能力。在使用相同数量压电陶瓷片的情况下，本发明设计对功率超声换能器的有效工作频带进行微拓宽，不仅解决了频率变化引起的振幅衰减问题，而且对压电超声换能器装置的输出功率和位移的影响很小。因为普通功率超声换能器由于负载等的变化很难工作在谐振频率点，大都是工作在谐振频率附近，有效的工作频率范围很小，振幅也很难达到理想值，本发明设计也是在保证要求输出振幅的同时，将有效的工作频率范围扩大，也就是保证功率换能器输出要求的前提下对工作频带的微拓宽。

本发明用到的超声电源要能产生两个相近的频率，分别加在第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆的电极片上，使两个压电陶瓷晶堆同时振动，两个振动的功率和振幅便进行叠加。设计的功率超声换能器节面位于中间圆柱上，这样换能器后端由第一组压电陶瓷晶堆和后盖板及部分中间圆柱段组成四分之一波长的换能器，并且作为第二组压电陶瓷晶堆组成的换能器的后盖板。换能器前端由第二组压电陶瓷晶堆和前盖板及部分中间圆柱段组成的也为四分之一波长换能器。由于前后两个换能器谐振频率接近，所以波长几乎相等，设计时可按照节面前后两段波长相等来设计。

本发明的复合超声换能器装置工作原理为：超声电源输出高频信号，传输给第一组压电陶瓷晶堆，输出的另一高频信号传输给第二组压电陶瓷晶堆，使轴向极化的压电陶瓷片产生沿装置轴线方向的超声频伸缩振动。换能器输出的纵向位移是两个压电陶瓷晶堆振动位移的相互叠加，两个压电陶瓷晶堆的输入信号频率相差很小，所以振幅在峰值处叠加的效果明显。而不同的频率又能对振动的频率进行微拓宽，从而避免由于超声振动系统频率漂移导致的振幅衰减。通过调整后盖板、中间圆柱和前盖板的长度来实现两压电陶瓷晶堆和系统的谐振。

本方案从换能器本身的设计出发，在保证换能器输出功率和振幅的前提下，把换能器的压电陶瓷片分成相同的两组，中间用圆柱体分开，组成在谐振频率附近能稍拓宽谐振频带的换能器，以解决外界温度、环境等的变化而引起的频率漂移。形式上相当于两压电换能器串联。本方案的换能器结合超声波电源的频率跟踪，能更好的保证功率超声换能器的使用效果。

进一步的，第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆中的陶瓷片和铜电极片在组装入换能器前经过真空冷焊处理。

由于压电陶瓷的抗张强度较低，在大功率状态下为了避免压电陶瓷损坏，需要增加预应力保证换能器振动时压电陶瓷始终处于压缩状态。同时，预应力也不能太大，以免阻碍换能器纵向振动而引起压电陶瓷片的发热损坏。施加预紧力的准确值往往不容易通过计算仿真求得，需要经过试验获取。压电陶瓷晶堆经过真空压焊后压电陶瓷片和铜电极之间有了一定的连接力，因此对施加于换能器的预紧力要求降低了，所加预紧力阈值范围扩大，降低了所加预应力值，大大减少了压电陶瓷由于施加预应力不当而造成的损坏。

进一步的，所述双头螺柱采用预应力双头螺柱。

预应力双头螺柱和螺母配合提供给第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆轴向振动所需的预应力。

本发明的创新点如下：

（1）本发明的超声换能器采用两个换能器串联，且两组压电陶瓷晶堆所用压电陶瓷片的数量和形状相同；

（2）两组换能器都为四分之一波长；

（3）第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆用中间圆柱连接，一起施加预应力，比分开做成两个独立的换能器连接在一起少一个连接面；

（4）预应力双头螺柱和螺母配合提供给第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆轴向振动所需的预应力；

（5）第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆中陶瓷片和铜电极片要经过真空冷压焊连接；

（6）第一组压电陶瓷晶堆中铜电极与超声电源的低频率输出接线相连，工作时将超声频电能转换成轴向超声频机械能；第二组压电陶瓷晶堆中铜电极与超声电源的另一高频率输出接线相连，工作时将超声频电能转换成轴向超声频机械能；

（7）串联的两个换能器连接不同的但大小相近的频率（由同一超声波发生器输出的两个不同频率），以保证拓宽谐振频率范围时基本不降低换能器输出的功率和振幅。

本发明技术方案带来的有益效果

（1）本发明装置将两组压电陶瓷晶堆串联形成复合超声换能器，对两组压电陶瓷晶堆输入不同的频率（相差不大），这样，不仅拓宽了换能器的频带而且保证了换能器的输出功率和振幅。针对频率漂移引起的振幅衰减，本发明从换能器本身的设计出发，在基本不影响输出功率的前提下避免了由于频率漂移引起的失谐，保证了换能器的正常使用；

（2）本发明装置中压电陶瓷晶堆在组装换能器前，进行了真空冷焊处理，一定程度避免了由于施加预紧力大小不当对换能器造成的损坏；陶瓷晶堆中压电陶瓷片和铜电极之间经过真空焊接处理后，施加于换能器的预应力的阈值范围扩大了，有效地增加压电陶瓷片的使用寿命，大大降低了由于施加的预应力值不当而造成压电陶瓷片的损坏；

（3）将压电陶瓷片分成了两组，这样每组所需要的功率和电压就降低了，从而减少了换能器的发热，提高了换能器的能量转化效率。并且由于压电陶瓷晶堆中陶瓷数量的减少使得陶瓷片散热容易，避免了压电陶瓷的发热损坏；

（4）两组压电陶瓷晶堆采用双头螺柱连接施加预紧力，施加预应力的结构简单有效。

附图说明

图1为串联式功率型换能器总体结构图；

图2为串联式功率型换能器内部结构图（剖视）；

图3为前后陶瓷晶堆连接结构示意图（标明电极关系以及两组连接关系）。

1-后盖板，2-第一组压电陶瓷晶堆，3-中间圆柱，4-第二组压电陶瓷晶堆，5-前盖板，6-双头螺柱，7-螺母，8-绝缘套，9-压电陶瓷，10-铜电极。

具体实施方式

后盖板1、第一组压电陶瓷晶堆2、中间圆柱3、第二组压电陶瓷晶堆4和前盖板5通过预紧力双头螺柱和螺母7连接在一起。其中预紧力双头螺柱旋入前盖板5的一端螺纹按标准完全旋入，另一端和螺母连接；

第一组压电陶瓷晶堆2中陶瓷片和铜电极片要经过真空冷压焊连接，然后再进入换能器的组装；

第二组压电陶瓷晶堆4中陶瓷片和铜电极片要经过真空冷压焊连接，再进入换能器的组装；

第一组压电陶瓷晶堆2中铜电极与产生超声电源的低频输出连线相连，工作时将超声频电能转换成轴向超声频机械能；

第二组压电陶瓷晶堆4中铜电极与超声电源的稍高频率输出连线相连，工作时将超声频电能转换成轴向超声频机械能；

第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4电路上并联连接，两压电陶瓷晶堆中压电陶瓷片个数是相同的；

预应力双头螺柱和螺母7配合提供给第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4轴向振动所需的预应力；

预应力双头螺柱与压电陶瓷晶堆2、中间圆柱3、第二组压电陶瓷晶堆4之间安装绝缘套8；

后盖板1、第一组压电陶瓷晶堆2、中间圆柱3、第二组压电陶瓷晶堆4和前盖板5外径相同。

此方案中用到的超声电源要能产生两个相近的频率，如19.8khz和20khz，分别加在第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4的电极片上，使两个陶瓷晶堆同时振动，两个振动的功率和振幅便进行叠加。

实际应用中，第一组和第二组压电陶瓷晶堆中压电陶瓷（压电片）的个数不仅限于两个，还可以是四个、六个等；相邻压电陶瓷之间设有铜电极。

本方案设计的功率超声换能器为二分之一波长，设计时节面选择在中间圆柱上，形式上为两个四分之一波长的换能器串联如图1所示，虚线表示功率换能器的节面位置（根据设计需求来计算具体位置）。以节面为界，可以看成两个四分之一波长的换能器串联，后面换能器（图中包含第一组压电陶瓷晶堆的部分）作为前面换能器（图中包含第二组压电陶瓷晶堆的部分）部分的后盖板，相应地前面换能器作为后面换能器部分的前盖板。后面换能器接超声电源的低频输出接口，前面换能器接超声电源的高频输出接口。超声电源的两个输出频率值要根据换能器需要达到的输出振幅所对应的频率带宽来决定，这个带宽对应的频率差即为超声电源输出的两个频率差。由于换能器的振幅只在谐振频率处达到最大，所以有效的工作频率范围很小即工作频带很窄，所以两组换能器的频率差要很小，相差太大会影响系统的输出功率和振幅。

第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4用中间圆柱连接，一起施加预应力，比分开做成独立的换能器连接在一起少一个连接面，这样能量传递损失少，方便了预应力的施加。

设计时通过调整各段长度来满足前后两组换能器的谐振频率。先根据已有的频率方程设计第一组压电陶瓷晶堆所在的四分之一波长换能器谐振时对应各段尺寸，然后再围绕第二陶瓷晶堆所在的四分之一换能器按照频率方程设计中间圆柱段和前盖板长度。

本发明技术关键点：

（1）将第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4串联；

（2）预应力双头螺柱和螺母7配合提供给第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4轴向振动所需的预应力；

（3）两个换能器连接不同的频率源但频率值要相近；

（4）第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆使用的压电陶瓷片的数量和形状相同，中间用圆柱体连接；

（5）第一组压电陶瓷晶堆2和第二组压电陶瓷晶堆4组装入换能器前经过真空冷焊处理。

本发明的保护点：

（1）输入的两个频率值要比较接近，这样对输出功率影响较小，又能稍拓宽谐振频带；

（2）两组压电陶瓷晶堆通过双头螺柱和螺母配合施加预紧力；

（3）压电陶瓷晶堆在装配换能器前要经过真空冷焊处理；

（4）第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆用中间圆柱连接，一起施加预应力。