[实用新型]一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构

说明书

本实用新型公开了一种Z型弹性法兰结构，它可减少超声换能器工作时，超声能量从法兰处向外界的渗漏，提升超声换能器振动性能及稳定性。该结构包括平面法兰部分和弹性圆柱环部分，平面法兰部分与弹性圆柱环部分组合在一起，截面形成Z型；平面法兰部分具有第一径向长度h1和第一厚度w1，弹性圆柱环部分具有第二径向长度h2、第二厚度w2、第三厚度w3和圆柱环长度l；其能够减轻纵向耦合和径向耦合，对超声换能器的端面振幅产生较大提升，无论超声换能器是否以谐振状态工作，Z型弹性法兰结构均可以显著提升超声换能器的振幅。与传统面法兰相比，在共振时，Z型弹性法兰结构可以将振幅提高15.3％，且不损失超声换能器承受外力作用的刚度。

技术领域

本实用新型涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构。

背景技术

压电超声换能器是现代功率超声领域中最重要的核心组件之一，它负责将电能转化为超声机械振动，然后将振动传递給安装在其端部的工具头。例如在超声外科设备中，超声换能器产生超声振动并传递给安装在端部的手术刀具，手术刀具利用超声振动实现对生物组织的去除；在微电子的热超声焊接中，超声换能器将电能转化为安装在其端部的焊接工具的超声振动，然后在集成电路与金属框架之间建立可靠的电气连接。因此，压电超声换能器的性能好坏决定了在实际工程应用中设备的性能、寿命、安全性是否得到保障。

典型的压电超声换能器由压电致动器与变幅杆组成。压电致动器通常采用三明治结构，即，其由偶数片的压电陶瓷圆片组成的压电陶瓷堆被前匹配块与后匹配块夹在中间，通过预紧力螺栓进行夹紧，这种压电致动器也被称为郎之万式换能器。变幅杆是一种典型的机械变幅结构，通常具有锥度，用于放大并传递由压电致动器产生的超声振动。为简化压电超声换能器的结构、减少超声能量在换能器内部传播的界面损耗，变幅杆与压电致动器的前匹配块制造为一个整体。这种典型的压电超声换能器的最大振动幅值输出位于变幅杆的小端面，通过在小端面耦合安装不同的工具头，实现压电超声换能器在不同领域的应用。因此，压电超声换能器的一个重要性能指标之一就是变幅杆的振幅。

在工程应用中，压电超声换能器的振幅受到许多因素的影响，如压电陶瓷的材料特性、超声换能器的结构与装配条件、驱动系统的频率和功率等。已有许多研究者在不同方面对增大压电超声换能器的振幅进行了许多尝试。一种方式是设计一种用于朗之万型超声换能器的新拓扑结构，其通过对换能器前盖板、后盖板的结构拓扑设计，提高超声换能器的性能，包括工作效果、能耗和工作寿命。另一种方式是改进变幅杆的外形轮廓以提高超声换能器的振幅。此外，压电超声换能器组件安装时的预紧力也会影响换能器的振幅，过小或过大的预紧力都会对换能器的振幅产生负面影响，甚至导致换能器的破坏。

众所周知，压电超声换能器是通过安装夹具将其与机架进行连接的。通常，换能器的安装夹具是平面法兰结构，具有加工成本低、易安装等优点，但由于换能器与机架是通过法兰结构进行刚性连接，因此无法避免这三者之间的耦合，这会对压电超声换能器的振动特性与振幅产生不利影响。换能器、法兰、机架三者之间的耦合有两种情况，一是由于法兰结构的纵向刚度阻碍(或局限)了换能器材料单元的纵向变形，导致超声能量向机架泄露，称为纵向耦合。为了尽可能减轻纵向耦合，可以将法兰结构设置在换能器振动的节面处，这是由于超声能量以驻波的形式在换能器内部传递，因此在理想节面位置，换能器材料单元仅发生径向变形，可以最大限度减小换能器与外界的纵向耦合。但由于换能器零部件加工制造时的误差，会导致法兰不能精准的设置在节面，另外换能器在工作时受各种边界条件变化的影响，会导致节面位置发生略微的偏移，同时法兰结构不可避免的具有一定厚度，这一系列原因导致纵向耦合的发生不可避免。二是由于法兰结构的径向刚度抑制了换能器振动时材料单元的径向变形，同样会导致超声能量向机架泄露，称为径向耦合。值得注意的是，换能器在节面处的径向变形是最大的，由于前述为避免纵向耦合的发生，将法兰结构设置在换能器的节面处，因此这种状态下，径向耦合的发生对换能器振动状态的干扰也是最大的。综上所述，这两种耦合状态的发生对换能器振动行为产生的不利影响是不容忽视的，特别是对换能器的振幅的抑制。

实用新型内容