專利名稱：一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種換能器，更特別地說，是指一種切向伸縮式超聲波扭轉振動換能 器，適用于超聲波振動切削(振動鈷削、振動鉸削和振動攻絲)、超聲焊接、超聲波 馬達和超聲疲勞實驗等領域。
技術背景在振動切削領域，特別是難加工材料加工和微小孔加工方面，扭轉振動具有明顯優勢。超聲波扭轉振動鈷孔能夠顯著降低鈷削力、提高鉆孔質量、降低出口毛刺；超 聲波扭轉振動鉸削能夠抑制低速加工中產生的積屑瘤、提高孔的表面質量；超聲波扭 轉振動攻絲能夠大大降低攻絲扭矩、提高攻絲效率、提高刀具壽命和螺紋質量。在超聲波焊接領域，采用扭轉振動在某些情況下比其它振動形式更為有效。超聲 塑料焊接方面，采用扭轉振動的大尺寸焊接工具頭比縱向振動容易設計。在超聲波馬達領域，扭轉振動是驅動超聲馬達轉子運動最直接的振動形式。超聲振動用于疲勞實驗，可將實驗效率提高數百倍。相對于其他類型的超聲振動，扭轉振動換能器是一種較難實現的換能器形式。理 論上可以通過切向極化的壓電陶瓷制作扭轉換能器，伹是切向極化的壓電陶瓷在制造 工藝上很難實現。使用長度方向極化的壓電陶瓷按照一定的粘接方法，也可以得到實 現扭轉振動，但是這種方法制造的扭轉換能器功率和輸出振幅較小。通過特殊結構也 可以把縱向超聲振動轉換為扭轉振動，但是結構較為復雜。利用f莫式轉換方式也可以 把彎曲振動方式轉化為扭轉振動，伹這種形式在激勵方面顯得較為復雜，需兩路波形 準確耦合，另外這種扭轉換能器的功率和振幅不是很大，并夾雜其它模式的振動。 發明內容為了應用較為簡單的結構器件實現超聲純扭轉振動，本發明提供一種切向伸縮式 超聲波扭轉換能器，該扭轉換能器將超聲波電源輸出的電信號轉換成兩個頻率振幅相 同、方向相同的切向伸縮振動，通過變幅桿對振幅的放大，直接在換能器的前端端部 產生扭轉振動，這種換能器結構簡單，制作方便，輸出功率振幅大。5本發明的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，包括有前蓋體、后蓋體、A驅動組 件、B驅動組件和四個長螺釘(A長螺釘、B長螺釘、C長螺釘、D長螺釘)，A驅 動組件與B驅動組件的結構相同。四個長螺釘、兩個驅動組件與前蓋體、后蓋體的連接關系為A驅動組件中的A電極與后蓋體的D連接臂的D側面接觸，A驅動組件中的C 電極與前蓋體的A連接臂的接觸面接觸，用B長螺釘順次穿過W通孔、A通孔、C 通孔、E通孔、G通孔、I通孔后螺紋連接在B螺紋孔上，用A長螺釘順次穿過X 通孔、B通孔、D通孔、F通孔、H通孔、J通孔后螺紋連接在A螺紋孔上。B驅動組件中的F電極與后蓋體的C連接臂的C側面接觸，B驅動組件中的D 電極與前蓋體的B連接臂的接觸面接觸，用D長螺釘順次穿過U通孔、S通孔、Q 通孔、O通孔、M通孔、K通孔后螺紋連接在D螺紋孔上，用C長螺釘順次穿過V 通孔、T通孔、R通孔、P通孔、N通孔、L通孔后螺紋連接在C螺紋孔上。本發明一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器的優點(1) A驅動組件和B驅動組件能夠產生一對頻率振幅相同、振動方向相同的伸縮振動。并且兩組驅動組件無驅動相位差，只需單路超聲波電源驅動，驅動方式簡單。(2) 通過在前蓋體的連接臂與后蓋體的連接臂上相對安裝兩個驅動組件，直接能夠 驅動前蓋體上的兩個連接臂產生切向伸縮振動。(3) 前蓋體、后蓋體采用叉形臂設計，可以將驅動組件產生的伸縮振動直接生成前 蓋體的扭轉振動，并經變幅桿放大后輸出。(4) 前蓋體和后蓋體的非對稱設計保證了產生的扭轉波順利向變幅桿前端傳遞，能 量損失少，可通過后蓋體上的連接端實現換能器的固定或連接。(5) 本發明換能器結構簡單，器件少，壓電陶瓷制作和粘結容易。
圖1是本發明一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器的結構圖。圖1A是本發明一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器的分解圖。圖2是本發明A驅動組件的結構圖。圖3是本發明B驅動組件的結構圖。圖4是本發明前蓋體的結構圖。圖4A是本發明前蓋體的另一視角結構圖。圖4B是圖4A的A向視圖。圖5是本發明后蓋體的結構圖。
圖5A是本發明后蓋體的另一視角結構圖。
圖5B是圖5A的B向視圖。
圖中l.前蓋體101.變幅桿102.圓柱座121.上板面
122.中心通孔103.A連接臂131.A接觸面132.A螺紋孔133.B螺紋孔
134.A連接臂圓面104.B連接臂141.B接觸面142.C螺紋孔143.D螺紋孔
144.B連接臂圓面2.后蓋體201.連接端202.圓柱座203.C連接臂
231.C接觸面232.U通孔233.V通孔235.A側面204.D連接臂
241.D接觸面242.W通孔243.X通孔245.B側面3.A驅動組件
31.A電極311.A通孔312.B通孔313.A接線端32.A壓電陶瓷片
321.C通孔322.D通孔33.B電極331.E通孔332.F通孔
333.B接線端34.B壓電陶瓷片341.G通孔342.H通孔
35.C電極351.1通孔352.J通孔353.C接線端4.B驅動組件
41.D電極411.K通孔412丄通孔413.D接線端42.C壓電陶瓷片
421.M通孔422.N通孔43.E電極431.0通孔432.P通孔
433.E接線端44.D壓電陶瓷片441.Q通孔442.R通孔
45.F電極451.S通孔452.T通孔453.F接線端
ll.A長螺釘12.B長螺釘13.C長螺釘14.D長螺釘
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
本發明的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，包括有前蓋體l、后蓋體2、 A驅動組件3、 B驅動組件4和四個長螺釘(A長螺釘11、 B長螺釘12、 C長螺釘13、
D長螺釘14) ， A驅動組件3與B驅動組件4的結構相同。一、前蓋體1
參見圖4、圖4A、圖4B所示，前蓋體1為一體成型加工器件，前蓋體1按照實現的功能分為變幅桿101、圓柱座102、 A連接臂103和B連接臂104。
A連接臂103的接觸面131上設有A螺紋孔132、 B螺紋孔133，且A螺紋孔132和B螺紋孔133貫穿接觸面131與A連接臂圓面134。
B連接臂104的接觸面141上設有C螺紋孔142、 D螺紋孔143，且C螺紋孔142和D螺紋孔143貫穿接觸面141與B連接臂圓面144。
圓柱座102的上板面121的中心設有中心通孔122，該中心通孔122貫穿圓柱座102和變幅桿101。在圓柱座102的前端設置有變幅桿101，該變幅桿101用于實現扭轉振動振幅放大。
在圓柱座102的后端設置有A連接臂103和B連接臂104，該A連接臂103和B連接臂104用于安裝驅動組件。
A連接臂103的禊形角《 = 110~ 130度，A連接臂103的A接觸面131的寬記為A，圓柱座102的半徑記為/ ，貝iJ有A-l/2 2/3i 。
在本發明中，前蓋體l采用聲阻比小的材料進行加工，如硬鋁、鈦合金等。
二、 后蓋體2
參見圖5、圖5A、圖5B所示，后蓋體2為一體成型加工器件，后蓋體2按照實現的功能分為連接端201、圓柱座202、 C連接臂203和D連接臂204。
C連接臂203的C接觸面231上設有U通孔232、V通孔233，且U通孔232和V通孔233貫穿C接觸面231與A側面235。
D連接臂204的D接觸面241上設有W通孔242、 X通孔243，且W通孔242和X通孔243貫穿D接觸面241與B側面245。
在圓柱座202的后端設置有連接端201 ，該連接端201用于實現換能器的固定與連接。在圓柱座202的前端設置有C連接臂203和D連接臂204。
C連接臂203的C接觸面231的寬記為V ， C連接臂203的厚記為rf ，圓柱座202的半徑記為w',則有A'-l/2 2/3/ '， c/=2/5 3/5/ '。
在本發明中，后蓋體2采用聲阻比大的材料進行加工，如45號鋼、不銹鋼等。
在本發明中，前蓋體1的圓柱座102的半徑w與后蓋體2的圓柱座202的半徑w'相等。
三、 A驅動組件3
參見圖2所示，A驅動組件3包括有A電極31、 A壓電陶瓷片32、 B電極33、B壓電陶瓷片34和C電極35， A壓電陶瓷片32與B壓電陶瓷片34的結構相同，A電極31與C電極35的結構相同。
A電極31上設有A通孔311、 B通孔312、 A接線端313;該A接線端313
與超聲波電源的負極相接。
A壓電陶瓷片32上設有C通孔321、 D通孔322。在本發明中，A壓電陶瓷片32選用型號PZT-8壓電陶瓷片，工作頻率范圍為15&/fe ~4(U/fe ,振幅15//m ~40 //m 。B電極33上設有E通孔331、 F通孔332、 B接線端333;該B接線端333
與超聲波電源的正極相接。
B壓電陶瓷片34上設有G通孔341、 H通孔342。在本發明中，B壓電陶瓷片34選用型號PZT-8壓電陶瓷片，工作頻率范圍為15A/fz 4(U/fe ,振幅15//附 40 //附。
C電極35上設有I通孔351、 J通孔352、 C接線端353;該C接線端353
與超聲波電源的負極相接。
位置關系以B電極33為中心位置，B電極33的一側從里向外順次是A壓電陶瓷片32、 A電極31; B電極33的另一側從里向外順次是B壓電陶瓷片34、 C電極35。 A電極31、 A壓電陶瓷片32、 B電極33、 B壓電陶瓷片34和C電極35上各自的通孔相互對齊后，用A長螺釘11和B長螺釘12實現將A驅動組件安裝在前蓋體1和后蓋體2上。四、B驅動組件4
參見圖3所示，B驅動組件4包括有D電極41、 C壓電陶瓷片42、 E電極43、D壓電陶瓷片44和F電極45， C壓電陶瓷片42與D壓電陶瓷片44的結構相同，D電極41與F電極45的結構相同。
D電極41上設有K通孔411、 L通孔412、 D接線端413;該D接線端413
與超聲波電源的負極相接。
C壓電陶瓷片42上設有M通孔421、 N通孔422。在本發明中，C壓電陶瓷片42選用型號PZT-8壓電陶瓷片，工作頻率范圍為15 Wfe 40A/fe ，振幅15;// ~40 //w 。
E電極43上設有0通孔431、 P通孔432、 E接線端433;該E接線端433
與超聲波電源的正極相接。
D壓電陶瓷片44上設有Q通孔441、 R通孔442。在本發明中，E壓電陶瓷片44選用型號PZT-8壓電陶瓷片，工作頻率范圍為15^fe 40Hfe ，振幅15//m 40 //附。
F電極45上設有S通孔451、 T通孔452、 F接線端453;該F線端453與超聲波電源的負極相接。
9位置關系以E電極43為中心位置，E電極43的一側從里向外順次是C壓電陶瓷片42、 D電極41; E電極43的另一側從里向外順次是D壓電陶瓷片44、 F電極45。 D電極41、 C壓電陶瓷片42、 E電極43、 D壓電陶瓷片44和F電極45上各自的通孔相互對齊后，用C長螺釘13和D長螺釘14實現將A驅動組件安裝在前蓋體1和后蓋體2上。
五、四個長螺釘、兩個驅動組件與前蓋體l、后蓋體2的連接關系為
A驅動組件3中的A電極31與后蓋體2的D連接臂24的D接觸面241接觸，A驅動組件3中的C電極35與前蓋體1的A連接臂13的A接觸面131接觸，用B長螺釘12順次穿過W通孔242、 A通孔311、 C通孔321、 E通孔331、 G通孔341、 I通孔351后螺紋連接在B螺紋孔133上，用A長螺釘11順次穿過X通孔243、 B通孔312、 D通孔322、 F通孔332、 H通孔342、 J通孔352后螺紋連接在A螺紋孔132上。
B驅動組件4中的F電極45與后蓋體2的C連接臂23的C接觸面231接觸，B驅動組件4中的D電極41與前蓋體1的B連接臂14的B接觸面141接觸，用D長螺釘14順次穿過U通孔232、 S通孔451、 Q通孔441、 0通孔431、 M通孔421、 K通孔411后螺紋連接在D螺紋孔143上，用C長螺釘13順次穿過V通孔233、 T通孔452、 R通孔442、 P通孔432、 N通孔422、 L通孔412后螺紋連接在C螺紋孔142上。
本發明的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，兩個驅動組件沿換能器的中心軸線對稱分布，兩個驅動組件在換能器切向方向上產生的一對頻率、振幅、振動方向相同的伸縮振動，此振動使前蓋體上的兩個連接臂產生一對頻率振幅相同，振動方向相同的切向振動，此振動直接使前蓋體在切向方向產生純扭轉振動，經過變幅桿放大后輸出大振幅扭轉振動，以切向直接驅動的簡單方式獲得了超聲波純扭轉振動。
權利要求
1、一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，其特征在于包括有前蓋體(1)、后蓋體(2)、A驅動組件(3)、B驅動組件(4)和四個長螺釘，A驅動組件(3)與B驅動組件(4)的結構相同，四個長螺釘是指A長螺釘(11)、B長螺釘(12)、C長螺釘(13)、D長螺釘(14)；前蓋體(1)為一體成型加工器件，前蓋體(1)按照實現的功能分為變幅桿(101)、圓柱座(102)、A連接臂(103)和B連接臂(104)；A連接臂(103)的A接觸面(131)上設有A螺紋孔(132)、B螺紋孔(133)，且A螺紋孔(132)和B螺紋孔(133)貫穿A接觸面(131)與連接臂圓面(134)；B連接臂(104)的B接觸面(141)上設有C螺紋孔(142)、D螺紋孔(143)，且C螺紋孔(142)和D螺紋孔(143)貫穿B接觸面(141)與連接臂圓面(144)；圓柱座(102)的上板面(121)的中心設有中心通孔(122)，該中心通孔(122)貫穿圓柱座(102)和變幅桿(101)；在圓柱座(102)的前端設置有變幅桿(101)，該變幅桿(101)用于實現扭轉振動振幅放大；在圓柱座(102)的后端設置有A連接臂(103)和B連接臂(104)，該A連接臂(103)和B連接臂(104)用于安裝驅動組件；后蓋體(2)為一體成型加工器件，后蓋體(2)按照實現的功能分為連接端(201)、圓柱座(202)、C連接臂(203)和D連接臂(204)；C連接臂(203)的C接觸面(231)上設有U通孔(232)、V通孔(233)，且U通孔(232)和V通孔(233)貫穿C接觸面(231)與A側面(235)；D連接臂(204)的D接觸面(241)上設有W通孔(242)、X通孔(243)，且W通孔(242)和X通孔(243)貫穿D接觸面(241)與B側面(245)；在圓柱座(202)的前端設置有連接端(201)，該連接端(201)用于實現換能器的固定與連接；在圓柱座(202)的后端設置有C連接臂(203)和D連接臂(204)；A驅動組件(3)包括有A電極(31)、A壓電陶瓷片(32)、B電極(33)、B壓電陶瓷片(34)和C電極(35)，A壓電陶瓷片(32)與B壓電陶瓷片(34)的結構相同，A電極(31)與C電極(35)的結構相同；A電極(31)上設有A通孔(311)、B通孔(312)、A接線端(313)；該A接線端(313)與超聲波電源的負極相接；A壓電陶瓷片(32)上設有C通孔(321)、D通孔(322)；B電極(33)上設有E通孔(331)、F通孔(332)、B接線端(333)；該B接線端(333)與超聲波電源的正極相接；B壓電陶瓷片(34)上設有G通孔(341)、H通孔(342)；C電極(35)上設有I通孔(351)、J通孔(352)、C接線端(353)；該C接線端(353)與超聲波電源的負極相接；B驅動組件(4)包括有D電極(41)、C壓電陶瓷片(42)、E電極(43)、D壓電陶瓷片(44)和F電極(45)，C壓電陶瓷片(42)與D壓電陶瓷片(44)的結構相同，D電極(41)與F電極(45)的結構相同；D電極(41)上設有K通孔(411)、L通孔(412)、D接線端(413)；該D接線端(413)與超聲波電源的負極相接；C壓電陶瓷片(42)上設有M通孔(421)、N通孔(422)；E電極(43)上設有O通孔(431)、P通孔(432)、E接線端(433)；該E接線端(433)與超聲波電源的正極相接；D壓電陶瓷片(44)上設有Q通孔(441)、R通孔(442)；F電極(45)上設有S通孔(451)、T通孔(452)、F接線端(453)；該地F線端(453)與超聲波電源的負極相接；四個長螺釘、兩個驅動組件與前蓋體(1)、后蓋體(2)的連接關系為A驅動組件(3)中的A電極(31)與后蓋體(2)的D連接臂(24)的D連接面(241)接觸，A驅動組件(3)中的C電極(35)與前蓋體(1)的A連接臂(13)的A接觸面(131)接觸，用B長螺釘(12)順次穿過W通孔(242)、A通孔(311)、C通孔(321)、E通孔(331)、G通孔(341)、I通孔(351)后螺紋連接在B螺紋孔(133)上，用A長螺釘(11)順次穿過X通孔(243)、B通孔(312)、D通孔(322)、F通孔(332)、H通孔(342)、J通孔(352)后螺紋連接在A螺紋孔(132)上；B驅動組件(4)中的F電極(45)與后蓋體(2)的C連接臂(23)的C接觸面(231)接觸，B驅動組件(4)中的D電極(41)與前蓋體(1)的B連接臂(14)的B接觸面(141)接觸，用D長螺釘(14)順次穿過U通孔(232)、S通孔(451)、Q通孔(441)、O通孔(431)、M通孔(421)、K通孔(411)后螺紋連接在D螺紋孔(143)上，用C長螺釘(13)順次穿過V通孔(233)、T通孔(452)、R通孔(442)、P通孔(432)、N通孔(422)、L通孔(412)后螺紋連接在C螺紋孔(142)上。
2、 根據權利要求1所述的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，其特征在于前蓋體(1) 的A連接臂(103)的楔形角"=110 130度，A連接臂(103)的A接觸面(131)的寬記為A,圓柱座(102)的半徑記為7 ，則有A-l/2 2/3w。
3、 根據權利要求1所述的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，其特征在于后蓋體(2) 的C連接臂(203)的C接觸面(231)的寬記為A'， C連接臂(203)的厚記為"，圓柱座(202)的半徑記為/ '，則有A' = 1/2~2/3/ ' ， d =2/5 3/5W 。
4、 根據權利要求1所述的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，其特征在于A壓電陶瓷片(32)、 B壓電陶瓷片(34)、 C壓電陶瓷片(42)和D壓電陶瓷片(44)選用型號PZT-8壓電陶瓷片，工作頻率范圍為15A/fe 40;t他，振幅15//附~ 。
全文摘要
本發明公開了一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，其包括有前蓋體、后蓋體、A驅動組件、B驅動組件和四個長螺釘，A驅動組件與B驅動組件的結構相同。本發明的一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器，兩個驅動組件沿換能器的中心軸線對稱分布，兩個驅動組件在換能器切向方向上產生的一對頻率、振幅、振動方向相同的伸縮振動，此振動使前蓋體上的兩個連接臂產生一對頻率振幅相同，振動方向相同的切向振動，此振動直接使前蓋體在切向方向產生純扭轉振動，經過變幅桿放大后輸出大振幅扭轉振動，以切向直接驅動的簡單方式獲得了超聲波純扭轉振動。
文檔編號B06B1/06GK101628283SQ20091009112
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者盧慧敏, 姜興剛, 張德遠, 張文全, 威 秦 申請人:北京航空航天大學