一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构及其应用

技术领域

本发明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型弹性法兰结构及其应用。

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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明对法兰结构进行改进，提供一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构及其应用，以减轻超声换能器、法兰、机架之间耦合带来的负面影响，改善超声换能器的振幅输出。

本发明提供的具体技术方案如下：

一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构，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。

进一步地，所述Z型弹性法兰结构设置在超声换能器振动的节面处。

进一步地，所述Z型弹性法兰结构是回转体或非回转体。

进一步地，所述圆柱环长度l：第二径向长度h2为7:4，可更优的提升换能器的性能。

上述Z型弹性法兰结构在超声换能器中的应用，利用Z型弹性法兰结构将超声换能器与机架连接，所述Z型弹性法兰结构设置在超声换能器振动的节面处。

进一步地，超声换能器包括变幅杆，在变幅杆的尖端部位匹配安装有不同的工具头，以适应不同领域的运用。

进一步地，变幅杆为增幅杆或减幅杆。

进一步地，超声换能器在谐振状态下运行。

进一步地，超声换能器用于超声骨刀、超声加工机、超声清洗、超声手术器械等一系列超声领域的具体应用。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明提供的Z型弹性法兰结构能够减轻超声换能器与机架(外界固定结构)的纵向耦合和径向耦合，对超声换能器的振幅产生较大有益影响，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，且不减小超声换能器的刚度。与具有相同刚度的传统面法兰相比，在共振时，Z型弹性法兰结构可以将振幅提高15.3％。另外，与具有相同刚度的传统的平面法兰相比，采用Z型弹性法兰结构的超声换能器的谐振频率会更小，更接近于无法兰结构的超声换能器的谐振频率。

附图说明：

图1为Z型弹性法兰结构的立体示意图。1-平面法兰部分，2-弹性圆柱环部分，3-Z型弹性法兰结构；

图2为Z型弹性法兰结构的剖面图；

图3为具有回转体的“Z”型法兰结构的超声换能器示意图；

图4为具有非回转体的“Z”型法兰结构的超声换能器示意图；

图5为超声换能器通过“Z”型弹性法兰结构与机架的连接示意图

图6为具有平面法兰的超声换能器和Z型弹性法兰结构的超声换能器模态分析对比图，其中，(a)为具有平面法兰的超声换能器，(b)具有Z型弹性法兰结构的超声换能器；

图7为具有平面法兰的超声换能器和Z型弹性法兰结构的超声换能器的振幅对比图，其中，①为在谐振状态下具有平面法兰的超声换能器，②为在谐振状态下具有Z型弹性法兰结构的超声换能器，③为在失谐状态下具有平面法兰的超声换能器，④为在失谐状态下具有Z型弹性法兰结构的超声换能器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

如图1-2所示，一种用于超声换能器的Z型弹性法兰结构，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。

进一步地，所述Z型弹性法兰结构设置在超声换能器振动的节面处。

进一步地，所述Z型弹性法兰结构是回转体或非回转体，如图3-4所示，即法兰结构的节面形状为“Z”型即可理解为所述“Z型弹性法兰结构”。

进一步地，所述圆柱环长度l、第二径向长度h2的取值范围可根据应用场景的不同而任意选用。

进一步地，所述圆柱环长度l：第二径向长度h2为7:4，可更优的提升换能器的性能。

上述Z型弹性法兰结构在超声换能器中的应用，利用Z型弹性法兰结构将超声换能器与机架连接，如图5所示，所述Z型弹性法兰结构设置在超声换能器振动的节面处。

进一步地，机架根据使用场景的不同具有不同的形式，图5中为其中一种，机架应该被理解为超声换能器被安装在的外部结构。

进一步地，超声换能器包括变幅杆，在变幅杆的尖端部位匹配安装有不同的工具头，以适应不同领域的运用。

进一步地，变幅杆为增幅杆或减幅杆。

进一步地，超声换能器在谐振状态下运行。

进一步地，超声换能器用于超声骨刀、超声加工机、超声清洗、超声手术器械等一系列超声领域的具体应用。

实施例1

针对在节面处设置平面法兰的超声换能器和Z型弹性法兰结构的超声换能器进行模态分析计算，得到各自在法兰周边半个周期内的振型图。

如图6所示，分别为具有平面法兰的超声换能器和Z型弹性法兰结构的超声换能器模态分析结果，上下两方框内分别列出了传统平面法兰和Z型弹性法兰结构振动的半个周期(0.1T～0.5T)内3个不同时刻各自的位置姿态。从图6(a)中可以看到，当超声换能器本体振动发生时，平面法兰结构被激发出了径向上的收缩与膨胀变形，如图6(a)中的箭头所示。由于传统平面法兰结构与机架的刚性固定，这种结构在一定程度上约束了节面的径向振动，从而发生较强的径向耦合作用，进而泄露超声能量，减少超声换能器的振幅。而从图6(b)方框内列出的Z型弹性法兰结构振动的半个周期(0.1T～0.5T)内3个不同时刻各自的位置姿态可以发现，当超声换能器振动时，节面位置的材料单元在径向上的膨胀与收缩，会使得Z型弹性法兰结构中间部位，即所述的弹性圆柱环发生弹性弯曲振动，如图6(b)中的箭头所示。可见相比于传统平面法兰，Z型弹性法兰结构具有较好的径向耦合去耦能力，从而增强超声换能器向其小端面传输的超声能量，提升超声换能器的振幅。

实施例2

使用电压值为40V的正弦电信号来驱动超声换能器，对超声换能器的振幅进行调查。为了避免由于长时间工作导致的超声换能器发热对其振动特性产生影响，每次激励时间仅为0.02s。当两种具有不同法兰结构的超声换能器通过其各自的谐振频率(对应40V电压值)被驱动时，对其振幅进行记录，如图7中的①、②所示。考虑到超声换能器在工作时易受外界环境的变化而导致谐振频率也相应发生改变，因此如果超声换能器的实际谐振频率偏离所施加的激励频率，则超声换能器会在失谐状态下工作，同时其节面位置发生一定的改变，法兰结构与超声换能器的纵向耦合将加大。由于这个原因，对每个超声换能器施加了高于其实际共振频率200Hz的电压幅值为40V的激励电信号，并对其失谐振动进行记录，如图7中的③、④所示。将依次记录的稳态振幅值列出，如图7中方框内所示。

从图7可以得到，在谐振状态下，具有Z型弹性法兰结构的超声换能器呈现出最大的稳态振幅值(7.24μm)，大于具有传统平面法兰结构的超声换能器的稳态振幅值(6.28μm)，较之提升了15.3％。在失谐状态下，超声换能器的振幅响应历经上升、阻尼振荡、稳定的过程，值得理解的是，失谐状态会使振幅值较之谐振状态明显下降。可以发现，具有Z型弹性法兰结构的超声换能器的稳态振幅值(2.61μm)同样大于具有传统平面法兰结构的超声换能器的稳态振幅值(2.43μm)。这说明，即使超声换能器以失谐状态工作，本发明的Z型弹性法兰结构也可以有效地增强振幅。

实验测试结果表明，Z型弹性法兰结构和超声换能器之间的耦合对超声换能器的振幅产生了较大影响。显然，无论超声换能器是否以谐振状态工作，Z型弹性法兰结构可以显著提升超声换能器的振幅。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。