專(zhuān)利名稱(chēng)：電聲轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電聲轉(zhuǎn)換器和換能器，譬如用于超聲波裝置，譬如用于焊接塑料或其它材料的超聲波焊機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及在使用多個(gè)夾緊在兩個(gè)團(tuán)塊之間的壓電陶瓷片的夾緊式換能器或者說(shuō)轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
典型的半波長(zhǎng)電聲轉(zhuǎn)換器公開(kāi)于共同受讓的美國(guó)專(zhuān)利5,590,866，并且示于圖1中。這種現(xiàn)有技術(shù)的電聲轉(zhuǎn)換器C具有一垛壓電陶瓷片W，夾緊在前和后金屬驅(qū)動(dòng)體FM和BM之間。所述壓電材料可以是鋯酸鈦酸鉛材料，并且往往稱(chēng)為陶瓷材料。這種換能器中使用的壓電陶瓷片在其中心有孔并且在其直徑端面上可以鍍有導(dǎo)電材料(例如銀)以在片間提供適當(dāng)?shù)碾娪|點(diǎn)。由適當(dāng)?shù)碾娫聪驂弘娞沾善┮越涣麟妷?，并且在供電時(shí)壓電陶瓷片機(jī)械地振動(dòng)。更加具體地，當(dāng)向徑向極化的壓電陶瓷片施加交流電壓時(shí)，每個(gè)圓盤(pán)也就是片的直徑響應(yīng)于施加的電壓增加和減少。這種直徑變化的結(jié)果，片的厚度也交替地機(jī)械增加和減少，這本身也表現(xiàn)為縱向的振動(dòng)。在片振動(dòng)時(shí)，它們轉(zhuǎn)而向前驅(qū)動(dòng)體施加縱向機(jī)械振動(dòng)，所述前驅(qū)動(dòng)體可以耦連到適當(dāng)?shù)睦韧不蛘咂渌暡üぞ哂糜谶M(jìn)行所希望的工作(例如焊接熱塑工件)。在使用這種換能器的典型工業(yè)設(shè)備中，預(yù)定的頻率是典型的，但是不是必須地，例如在20KHz的超聲波范圍內(nèi)。但是，取決于應(yīng)用，這種頻率可以是變化很廣的(例如在1-100KHz之間)。典型地，這種振動(dòng)的峰對(duì)峰縱向振幅相當(dāng)小，在20KHz近約0.001英寸的范圍，但是可以通過(guò)把換能器耦連到適當(dāng)構(gòu)形的喇叭筒可以提高振幅。
這種器件把適當(dāng)?shù)碾娫垂┙o的高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。所述換能器有輸出端，其上一般地連接中間耦連器(還常常稱(chēng)為增音喇叭筒)，用于從轉(zhuǎn)換器接收振動(dòng)并且把振動(dòng)以相同的幅度或者加大的幅度向輸出喇叭筒、工具、超聲焊極或類(lèi)似物耦連，后者再把振動(dòng)耦連到工件。這種半波長(zhǎng)換能器往往具有位于換能器的波節(jié)區(qū)的安裝凸緣，在所述的波節(jié)區(qū)振動(dòng)主要是在徑向方向上。
總體上，以圖1所示結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器在其期望用途方面工作良好，并且設(shè)計(jì)得在各種預(yù)定頻率和功率范圍工作。但是廣泛地公知這種現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的某些局限和缺點(diǎn)。
總體上，現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的壓電陶瓷片和金屬部件有一定的幾何形狀并且這些部件有一定的振動(dòng)波速特性。在受到機(jī)械振動(dòng)時(shí)(如轉(zhuǎn)換器共振時(shí))這些部件內(nèi)產(chǎn)生的平面應(yīng)力和各種部件內(nèi)的這些振動(dòng)的速度是非線性的。這導(dǎo)致了這些現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的問(wèn)題和局限。
典型地，為了從轉(zhuǎn)換器獲得更大的功率，把轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)得加大電容量。對(duì)于施加在轉(zhuǎn)換器的有源元件(即壓電陶瓷片)上的給定電壓，要求電流以產(chǎn)生功率。電流必須通過(guò)電路的容性支路導(dǎo)通，從而導(dǎo)致通過(guò)壓電陶瓷片的電壓上升。為了把此電壓保持在允許值內(nèi)并且為了增加換能器的功率，需要更大的壓電陶瓷體積。典型地如圖1所示，把幾個(gè)壓電陶瓷片W對(duì)相互并聯(lián)地放在一起以增加轉(zhuǎn)換器的容量。
然而，為達(dá)到這樣較高的功率電平所需要增加的陶瓷材料體積產(chǎn)生了問(wèn)題。典型地，這樣的結(jié)構(gòu)使用三對(duì)陶瓷片(參見(jiàn)圖6)以產(chǎn)生所要求的高功率電平。這在總體上導(dǎo)致相對(duì)于轉(zhuǎn)換器的體積(質(zhì)量)較大的陶瓷材料體積。這種較大的轉(zhuǎn)換器體積或者質(zhì)量可以使得轉(zhuǎn)換器的振動(dòng)波節(jié)不處在所希望的位置(典型地在安裝凸緣F上，如圖1所示)，而是可能位于陶瓷片W內(nèi)部。這會(huì)產(chǎn)生不利的運(yùn)動(dòng)，并且導(dǎo)致能量損耗。
在這種現(xiàn)有技術(shù)換能器結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)地驅(qū)動(dòng)陶瓷片。因?yàn)檫@些現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)是所謂的分布結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)每對(duì)陶瓷片的等效動(dòng)生電壓可以不同。這導(dǎo)致不希望的循環(huán)電流、電損耗，以及對(duì)每對(duì)陶瓷片的不均等功率分配。
還有，隨著陶瓷片內(nèi)部頻率和應(yīng)力改變，換能器內(nèi)的波節(jié)位置也會(huì)改變，從而還會(huì)改變機(jī)械負(fù)荷反射回陶瓷內(nèi)的方式。這種改變的條件使轉(zhuǎn)換器在其電阻抗特性上更加不可預(yù)測(cè)。
對(duì)于任何電機(jī)械換能器中典型地是，把電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(振動(dòng))會(huì)在換能器內(nèi)產(chǎn)生熱。換能器的陶瓷部件的熱阻或者說(shuō)熱導(dǎo)高于金屬部件的熱阻。陶瓷部件的體積加大導(dǎo)致?lián)Q能器內(nèi)部的高熱集中區(qū)域并且在換能器內(nèi)部的熱傳輸通過(guò)從陶瓷部件向金屬部件(主要是前和后驅(qū)動(dòng)體)傳導(dǎo)進(jìn)行。陶瓷部件的溫度上升降低其把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率。
再有，如果增加陶瓷的體積達(dá)到較高的期望功率電平或者補(bǔ)償損耗，轉(zhuǎn)換器的物理尺寸改變了，然而轉(zhuǎn)換器尺寸受所要求的工作頻率的限制。從而，在可為補(bǔ)償損耗提供的陶瓷材料量與轉(zhuǎn)換器的機(jī)械尺寸之間要加以權(quán)衡。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于轉(zhuǎn)換器，在陶瓷材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)中存在有機(jī)械損耗。這些損耗發(fā)生在轉(zhuǎn)換器的工作基頻并且有時(shí)發(fā)生在基頻的諧波頻率上。在許多現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部激發(fā)三次諧波運(yùn)動(dòng)并非罕見(jiàn)。這些三次諧波典型地發(fā)生在安裝凸緣上或者轉(zhuǎn)換器的后驅(qū)動(dòng)體上。這種諧波運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生無(wú)用功并且造成局部損耗和溫度上升。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的幾個(gè)目的和特征中可以提及提供一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器的電和機(jī)械特性更加穩(wěn)定并且轉(zhuǎn)換器的工作條件變化的影響較?。惶峁┻@樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，所述電聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生比同尺寸的現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器高的功率；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，所述電聲轉(zhuǎn)換器降低了內(nèi)部損耗；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，所述電聲轉(zhuǎn)換器較現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器更好地受控制；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中熱損耗較好地散發(fā)以降低轉(zhuǎn)換器的陶瓷部件的工作溫度從而提高轉(zhuǎn)換器的工件效率；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中在陶瓷部件內(nèi)的應(yīng)力分布和應(yīng)力梯度較低并且其中的寄生頻率也較低；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中，因?yàn)樘沾刹牧现械膽?yīng)力受到較好的控制并且較低，轉(zhuǎn)換器可以有較大的直徑(較現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)而言)從而能夠使用較大的陶瓷體積，而這又轉(zhuǎn)而提高轉(zhuǎn)換器提供的功率；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中陶瓷根據(jù)振動(dòng)波節(jié)對(duì)稱(chēng)地安排在轉(zhuǎn)換器中，使得前和后陶瓷部件實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生相等的功率并且使得施加在前和后陶瓷部件上的動(dòng)生電壓實(shí)質(zhì)上相等以降低循環(huán)電流和降低損耗；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是對(duì)稱(chēng)的并且應(yīng)力是較受控制的，所以返回終端的加工反射(這典型地在運(yùn)行上耦連到轉(zhuǎn)換器的前驅(qū)動(dòng)體上)較為確定和穩(wěn)定，從而能夠有較大范圍的各種結(jié)構(gòu)的加工量；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中與陶瓷接觸的金屬部件(前驅(qū)動(dòng)體、后驅(qū)動(dòng)體、中心部分)的橫截面積增大從而導(dǎo)致導(dǎo)熱速率較大；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中在前后組陶瓷部件之間布置的金屬墊片較有效地從陶瓷部件導(dǎo)熱；提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中采用了在一定程度上較小的陶瓷體積但是卻較現(xiàn)有技術(shù)換能器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯較高的平均功率；和提供這樣一種電聲轉(zhuǎn)換器，其中有經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，有高成本效益的結(jié)構(gòu)，有長(zhǎng)的使用壽命，并且更有效地把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。
本發(fā)明其它目的和特征在下面會(huì)部分地顯現(xiàn)和部分地指出。
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的電聲轉(zhuǎn)換器(換能器)把電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率范圍(例如在約16-100KHz之間)的機(jī)械振動(dòng)。從適當(dāng)?shù)碾娫聪蛩鲛D(zhuǎn)換器施加交流電能(電壓)。所述轉(zhuǎn)換器含有金屬前驅(qū)動(dòng)體、金屬后驅(qū)動(dòng)體、前陶瓷垛、后陶瓷垛、前和后陶瓷垛之間的墊片，以及連接到前和后驅(qū)動(dòng)體的固定件，用于夾固陶瓷垛和前和后驅(qū)動(dòng)體之間的墊片。前和后陶瓷垛是適當(dāng)?shù)膲弘娞沾刹牧系?，所述壓電陶瓷材料在從適當(dāng)?shù)碾娫从妙A(yù)定頻率的交流電能供電時(shí)，使轉(zhuǎn)換器沿軸向方向共振地振動(dòng)。所述的墊片和后驅(qū)動(dòng)體設(shè)有翼片，用于把熱從轉(zhuǎn)換器導(dǎo)開(kāi)以把熱對(duì)流到環(huán)境中。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)電聲轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明的電聲轉(zhuǎn)換器的透視圖，示出所述轉(zhuǎn)換器的主要部件；圖3是本發(fā)明的電聲轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖；圖4是轉(zhuǎn)換器的透視剖面圖；圖5是與圖4相似的轉(zhuǎn)換器的視圖，示出在正常穩(wěn)狀工作條件下部件的熱梯度；圖6是現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的垂直截面圖，示出在正常穩(wěn)狀工作條件下部件的熱梯度；圖7是本發(fā)明的換能器的電原理圖，所示情況為由適當(dāng)?shù)碾娫聪蛩┘与娔?；圖8是具有交替的翼片型件的墊片端視圖；圖9A和圖9B是前驅(qū)動(dòng)體另一種結(jié)構(gòu)的端視圖和側(cè)視圖，所述前驅(qū)動(dòng)體具有與圖2和圖3所示的不同的翼片型件；以及圖10A-圖10C示出用于本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的緊密安裝，在此緊密安裝會(huì)幫助從轉(zhuǎn)換器導(dǎo)熱。
在全部這幾個(gè)附圖中相應(yīng)的標(biāo)號(hào)指示相應(yīng)的部件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的電聲轉(zhuǎn)換器1總體上示于圖2和圖3中。轉(zhuǎn)換器1把電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率的機(jī)械振動(dòng)。它包括在橫截面上是圓形的，并且包括一個(gè)縱軸或者稱(chēng)垂直軸VA。
轉(zhuǎn)換器1包括金屬前驅(qū)動(dòng)體3、金屬后驅(qū)動(dòng)體5、前陶瓷垛7、后陶瓷垛9和布置在前和后陶瓷垛之間的墊片11。固定件13(類(lèi)似于圖1中的螺栓B)軸向地經(jīng)過(guò)后驅(qū)動(dòng)體5、陶瓷垛7和9并延伸到前驅(qū)動(dòng)體3以?shī)A緊前和后陶瓷垛3及5之間的墊片11。如圖2所示，陶瓷垛7及9實(shí)質(zhì)上關(guān)于墊片11對(duì)稱(chēng)，并且陶瓷垛/墊片組件實(shí)質(zhì)上關(guān)于橫軸LA對(duì)稱(chēng)。每個(gè)陶瓷垛有兩個(gè)陶瓷片W。前和后陶瓷垛中的片數(shù)可以是任何數(shù)量的，這取決于陶瓷片的厚度、工作半波長(zhǎng)頻率，和是否把中心部件保留為電正性還是電負(fù)性。優(yōu)選地，把轉(zhuǎn)換器1的尺寸做成為形成預(yù)定頻率下完整的半波長(zhǎng)共振器，所述共振器的縱波振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)在墊片11內(nèi)，并且優(yōu)選地大約在橫軸LA上。
如上所述，前和后陶瓷垛7和9由墊片11分隔開(kāi)。這在系統(tǒng)中加入了幅度增益。垛7和9中的陶瓷片W是適當(dāng)?shù)膲弘娞沾刹牧现瞥傻模┤玟喫徕佀徙U，從而用交流電能供電時(shí)使轉(zhuǎn)換器沿軸A方向共振地振動(dòng)。優(yōu)選地，陶瓷垛7和9各由一對(duì)陶瓷片15構(gòu)成。每個(gè)陶瓷垛的陶瓷片15在尺寸、形狀和電氣及機(jī)械性能上實(shí)質(zhì)上相同，從而所述的垛實(shí)質(zhì)上是對(duì)稱(chēng)的。由圖7可見(jiàn)，陶瓷片15與電源PS平行，在啟動(dòng)后，所述電源PS對(duì)陶瓷片15供電。例如，電源PS可以是位于CT的Danbury的Branson Ultrosonics公司銷(xiāo)售的930型電源。如果需要，陶瓷片可以與電源串聯(lián)。陶瓷片優(yōu)選地鍍以導(dǎo)電層，例如銀，從而每對(duì)陶瓷片的片15將相互電連接。
參見(jiàn)圖4，墊片11是金屬墊片，優(yōu)選地用鋁制造。所述墊片具有外表面22的體21。墊片體21的直徑基本上等于陶瓷垛7和9的直徑。墊片21包括從墊片體徑向向外伸出的翼片23。翼片23軸向地在墊片11的整個(gè)高度上展開(kāi)。在圖4中看得最清楚，墊片翼片23有側(cè)表面25和外表面27。側(cè)表面25在圖中示出向外相對(duì)墊片11成夾角，使翼片23的頂和底表面29在形狀上總體是梯形，翼片23的根部31比翼片23外表面27的尺寸小。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中，這些翼片將具有與圖8所示相似的形狀。這種結(jié)構(gòu)使得在加工翼片時(shí)能夠使用球磨機(jī)。變通地，這些部分可以用軋制鋁材制造也可以有其它的徑向翼片斷面。
后驅(qū)動(dòng)體5包括具有外表面35的體33。體33的直徑(測(cè)量到外表面35)實(shí)質(zhì)上等于陶瓷垛7和9的直徑。與墊片21相同，后驅(qū)動(dòng)體5也包括從驅(qū)動(dòng)體5徑向向外伸出的翼片37。翼片37軸向地在驅(qū)動(dòng)體5的整個(gè)高度上展開(kāi)。在圖4中看得最清楚，驅(qū)動(dòng)體翼片37構(gòu)成的形狀實(shí)質(zhì)上與墊片翼片23的相似。驅(qū)動(dòng)體翼片37側(cè)表面39向外相對(duì)墊片11成夾角，使翼片37的頂和底表面41在形狀上總體是梯形，翼片37的根部43比翼片的外表面45的尺寸小。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述翼片的構(gòu)型可如圖8所示。如圖2和3所示，在組裝轉(zhuǎn)換器時(shí)，墊片翼片23優(yōu)選地(但不是必須地)實(shí)質(zhì)上與后驅(qū)動(dòng)體翼片37對(duì)齊。
前驅(qū)動(dòng)體3在橫截面上總體上是圓形的，并且有后端51、前端53，和外表面。喇叭筒固定于其上的前驅(qū)動(dòng)體3優(yōu)選地有平滑的外表面，如圖2所示(換言之，前驅(qū)動(dòng)體不設(shè)翼片)。然而，在某些結(jié)構(gòu)中，可能希望在前驅(qū)動(dòng)體上附加翼片，如圖9A和圖9B所示。
前驅(qū)動(dòng)體3在其后端51的直徑實(shí)質(zhì)上等于陶瓷垛的直徑。前驅(qū)動(dòng)體3的直徑可以實(shí)質(zhì)上是恒定的(在這種情況下，驅(qū)動(dòng)體3會(huì)總體上是圓柱形的)或者，前驅(qū)動(dòng)體3可以有較小的橫截面積(如圖3所示)以增加轉(zhuǎn)換器的振幅。
金屬墊片11的前驅(qū)動(dòng)體上和后驅(qū)動(dòng)體5上的翼片23和37數(shù)量和翼片的形狀選擇得能夠有效地通過(guò)對(duì)流和輻射熱傳導(dǎo)把熱從轉(zhuǎn)換器1導(dǎo)開(kāi)。領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到所使用的翼片的數(shù)量和形狀可以根據(jù)換能器的尺寸、頻率、及功率而不同。因?yàn)閴|片11置于前和后陶瓷垛之間，在轉(zhuǎn)換器工作期間產(chǎn)生的熱量有較短的路徑傳出轉(zhuǎn)換器(與現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C比較而言)。墊片11(以及后驅(qū)動(dòng)體5)起散熱器的作用，并且快速地把產(chǎn)生的熱對(duì)流到環(huán)境空氣中。如圖5所示，陶瓷垛7和9、和墊片11的溫度實(shí)質(zhì)上是均勻的。
例如在每個(gè)垛7和9中具有兩個(gè)陶瓷片W，每個(gè)陶瓷片直徑約5.6厘米的換能器中，在穩(wěn)態(tài)條件上工作于9.7瓦特時(shí)(在25℃環(huán)境溫度下11W/m2)，整個(gè)組件10(即垛和墊片)在約59.5℃和60.1℃之間。在整個(gè)后陶瓷垛9上典型地有梯度。鄰接后驅(qū)動(dòng)體5的陶瓷片表現(xiàn)出從鄰接后驅(qū)動(dòng)體5的約54.4℃的溫度向鄰接該陶瓷片對(duì)的第二個(gè)的約58℃的溫度的梯度。第二個(gè)陶瓷片表現(xiàn)出從鄰接該陶瓷片對(duì)的第一個(gè)陶瓷片的約58℃的溫度向鄰接墊片11約59.4℃的溫度的梯度。轉(zhuǎn)換器1的溫度特性與可比較的現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C的溫度特性比較要均勻得多，這由比較圖5和圖6可以看到。如圖6所示轉(zhuǎn)換器C的陶瓷片W表示出大的溫度梯度，熱區(qū)在陶瓷片的中心。在鄰接前和后驅(qū)動(dòng)體FM和BM的陶瓷片表面上，現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C的陶瓷片溫度約為54.7℃，而在陶瓷垛的中心，該垛的溫度約為60℃C.這個(gè)數(shù)據(jù)是在轉(zhuǎn)換器C工作于6.8瓦特時(shí)(在25℃環(huán)境溫度下11W/m2)時(shí)得到的。所述本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器1可以比現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C工作于較高的功率，但是還實(shí)質(zhì)上保持更均勻的溫度分布。
如所公知，由陶瓷中介電損耗造成發(fā)熱，并且陶瓷的熱傳導(dǎo)性比金屬(鋁)差得多。這種差的熱傳導(dǎo)性導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C表現(xiàn)的溫度梯度，如圖6所示。當(dāng)把陶瓷片堆在一起(以增加轉(zhuǎn)換器的功率輸出)，如圖6所示時(shí)，在陶瓷中積累了高的溫度。這種溫度累積限制了轉(zhuǎn)換器C的功率產(chǎn)生能力，并且導(dǎo)致參數(shù)變化，這引起現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器整體穩(wěn)定性下降。因?yàn)楸景l(fā)明的轉(zhuǎn)換器1較有效地排除陶瓷片產(chǎn)生的熱量，陶瓷片較現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C的陶瓷片冷，所以轉(zhuǎn)換器1能夠比現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C處理實(shí)質(zhì)上較高的平均功率。另外較高的平均功率是比用現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C少的陶瓷質(zhì)量處理的。轉(zhuǎn)換器1可以處理的平均功率比現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C可以處理的平均功率高33％。
因?yàn)樘沾善?墊片組件10關(guān)于橫軸LA對(duì)稱(chēng)，并且因?yàn)樵谒鲛D(zhuǎn)換器工作時(shí)該組件表現(xiàn)較均勻(和較低)的溫度，所以較容易控制轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)力。因此，加工向終端的反射要確定得多，并且穩(wěn)定得多。還可以更好地確定各種加工垛。另外，因?yàn)樵谔沾善袘?yīng)力均勻得多，轉(zhuǎn)換器可以做得在直徑上比現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的，譬如現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C的，大得多，從而可以增加陶瓷的體積。例如轉(zhuǎn)換器1的陶瓷片15的直徑約2.2英寸，或者2.6英寸，而現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的陶瓷片W的直徑約2英寸。因此，轉(zhuǎn)換器1(有四個(gè)陶瓷片)的陶瓷體積達(dá)到有六個(gè)陶瓷片的現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器C的陶瓷體積，如圖6所示。
如上所述，振動(dòng)在墊片11處有振動(dòng)波節(jié)，優(yōu)選地在橫軸LA處(即在圖3所示的墊片11的垂直中心處)。因此，所述陶瓷實(shí)質(zhì)上對(duì)振動(dòng)波節(jié)對(duì)稱(chēng)，并且與波節(jié)的振動(dòng)間隔開(kāi)。因此，所述陶瓷在轉(zhuǎn)換器1的功率產(chǎn)生方面較相等地分?jǐn)?。?dòng)生電壓也較均等。這降低了轉(zhuǎn)換器中的循環(huán)電流以及由于循環(huán)電流產(chǎn)生的相關(guān)損耗。
應(yīng)當(dāng)理解所述墊片部分可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)換器的實(shí)心的安裝區(qū)，如共同受讓的美國(guó)專(zhuān)利5,443,240和5,590,866所述，這兩個(gè)美國(guó)專(zhuān)利在此全部引入作為參考。以此方式可以把殼包繞轉(zhuǎn)換器安裝。實(shí)心的“墊片”對(duì)殼體既可以提供對(duì)流通道，也可以提供熱傳導(dǎo)途徑。這種具有實(shí)心安裝件的15KHz換能器或稱(chēng)轉(zhuǎn)換器示于圖10A-10C。應(yīng)當(dāng)理解所述的實(shí)心安裝件可接合從墊片9向外伸出的凸緣(與圖1所示的凸緣F相似)，從而把轉(zhuǎn)換器安裝在轉(zhuǎn)換器殼內(nèi)，如上述美國(guó)專(zhuān)利5,590,866所述。
在上述結(jié)構(gòu)中可以做出各種改變而不偏離本發(fā)明的范圍，以上說(shuō)明或者附圖所示的內(nèi)容都應(yīng)當(dāng)解釋為描述性的而沒(méi)有限制的意義。例如翼片的形狀和尺寸可以改變。如果希望，墊片11可以設(shè)有安裝凸緣。這些例子只是說(shuō)明性的。
權(quán)利要求
1.電聲轉(zhuǎn)換器，用于把電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率的機(jī)械振動(dòng)，所述轉(zhuǎn)換器具有縱軸，并且含有金屬前驅(qū)動(dòng)體、金屬后驅(qū)動(dòng)體、前陶瓷垛、后陶瓷垛、前和后陶瓷垛之間的墊片，以及在所述轉(zhuǎn)換器軸向延伸的固定件，并且所述固定件連接到所述前和后驅(qū)動(dòng)體，以把所述陶瓷垛和所述墊片夾緊在所述前和后驅(qū)動(dòng)體之間；所述前和后陶瓷垛是適當(dāng)?shù)膲弘娞沾刹牧希@樣當(dāng)用交流電能供電時(shí)使轉(zhuǎn)換器沿所述縱軸方向共振地振動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，把所述轉(zhuǎn)換器的尺寸做成為形成預(yù)定頻率下半波長(zhǎng)共振器，把縱波振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)定位在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)所述墊片內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述墊片是金屬墊片。
4.如權(quán)利要求3所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述墊片是鋁墊片。
5.如權(quán)利要求3所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述前和后陶瓷垛每個(gè)含有至少一對(duì)所述壓電陶瓷的陶瓷片，同時(shí)這些陶瓷片實(shí)質(zhì)上在尺寸、形狀和電氣及機(jī)械特性上相同，從而使所述的垛實(shí)質(zhì)上對(duì)稱(chēng)。
6.如權(quán)利要求5所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述安置的金屬墊片含有橫截面直徑實(shí)質(zhì)上等于所述陶瓷垛的橫截面直徑的體并且有在所述體的外表面上軸向布置的伸到所述的陶瓷片以外的翼片，用于把熱從所述墊片對(duì)流傳導(dǎo)到環(huán)境中。
7.如權(quán)利要求5所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述墊片有向外伸出的凸緣，并且其中設(shè)有實(shí)心安裝件可以與所述的凸緣接合用于把所述的換能器安裝在轉(zhuǎn)換器殼內(nèi)，所述的安裝件加快把熱從所述換能器傳導(dǎo)到所述的殼。
8.如權(quán)利要求7所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述實(shí)心安裝件是導(dǎo)熱材料，用于幫助把熱從轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo)到所述轉(zhuǎn)換器殼。
9.如權(quán)利要求6所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述金屬后驅(qū)動(dòng)體有在所述體的外表面上軸向布置的伸到所述陶瓷垛的所述的陶瓷片以外的翼片，用于把熱從所述后驅(qū)動(dòng)體對(duì)流傳導(dǎo)到環(huán)境中。
10.如權(quán)利要求1所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的前驅(qū)動(dòng)體包括橫截面減小的部分，從而增大振幅。
11.如權(quán)利要求1所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述前驅(qū)動(dòng)體于其上有多個(gè)翼片。
12.如權(quán)利要求1所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述后驅(qū)動(dòng)體于其上有多個(gè)翼片。
13.電聲轉(zhuǎn)換器，用于把電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率的機(jī)械振動(dòng)，所述轉(zhuǎn)換器具有縱軸，并且含有前陶瓷垛、后陶瓷垛和分離所述前和后陶瓷垛的墊片；所述的墊片和陶瓷垛構(gòu)成墊片/陶瓷垛組件，所述的組件具有橫軸；所述前和后陶瓷垛是適當(dāng)?shù)膲弘娞沾刹牧希瑥亩?dāng)用適當(dāng)?shù)慕涣麟娫垂╇姇r(shí)使轉(zhuǎn)換器沿所述縱軸方向共振地振動(dòng)；所述轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)有實(shí)質(zhì)上在墊片/陶瓷垛組件橫軸處的振動(dòng)波節(jié)，前和后陶瓷垛軸向地與振動(dòng)波節(jié)隔開(kāi)。
14.如權(quán)利要求13所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述墊片是散熱器。
15.如權(quán)利要求13所述的電聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述墊片包括具有外周表面的體和多個(gè)從所述墊片表面伸出到所述陶瓷垛外周表面以外的翼片。
全文摘要
公開(kāi)了一種電聲轉(zhuǎn)換器(1)，用于把電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率的機(jī)械振動(dòng)。轉(zhuǎn)換器(1)用交流電源的電能供電。所述轉(zhuǎn)換器具有金屬前和后驅(qū)動(dòng)體(3、5)、前陶瓷垛和后陶瓷垛(7、9)、前和后陶瓷垛之間的墊片(11)，以及在所述轉(zhuǎn)換器軸向延伸的、連接到所述前和后驅(qū)動(dòng)體以把所述陶瓷垛和所述墊片夾緊在所述前和后驅(qū)動(dòng)體之間的固定件。所述前和后陶瓷垛是壓電陶瓷材料，從而在從電源用交流電能供電時(shí)，壓電材料使所述轉(zhuǎn)換器以所述預(yù)定頻率共振地振動(dòng)。墊片和前和后驅(qū)動(dòng)體設(shè)有翼片用于從轉(zhuǎn)換器輻射熱。轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)實(shí)質(zhì)上均勻的溫度和在墊片內(nèi)部的振動(dòng)波節(jié)。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1430794SQ01810170
公開(kāi)日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者阿蘭·J·羅伯茨, 詹姆斯·F·西漢 申請(qǐng)人:布蘭森超音波學(xué)公司