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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410740266.X (22)申请日 2014.12.09 B06B 1/06(2006.01) (71)申请人苏州科技学院 地址 215009 江苏省苏州市高新区科锐路1 号 (72)发明人殷振 李艳 曹自洋 汪帮富 庄孝斌 朱淑梅 吴阳 黄强 吴雷 徐帖 (54) 发明名称 一种单激励超声椭圆振动换能器 (57) 摘要 本发明公开了一种单激励超声椭圆振动换能 器，包括超声振动换能器和椭圆振动模态转换器。 所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺 栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后 盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电。
2、陶瓷片、电 极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转 换器设置在前盖板的前端，为直梁和斜梁的复合 结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换 能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转 换器末端的纵弯复合超声椭圆振动。本发明的超 声振动换能器采用夹心式结构，具有功率容量大、 结构简单、椭圆振动模态转换器部分结构刚度大、 能量转换效率高、工作性能稳定等优点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104438028 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104438028。
3、 A 1/1页 2 1.一种单激励超声椭圆振动换能器：包括超声振动换能器和椭圆振动模态转换器，所 述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷 片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联 接压紧；其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述椭圆振动模 态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩 形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖 板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端 和直梁的中间部位联接。
4、，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与 超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接。 2.根据权利要求1所述的一种单激励超声椭圆振动换能器，其特征在于：所述的椭圆 振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。 3.根据权利要求1所述的一种单激励超声椭圆振动换能器，其特征在于：所述的椭圆 振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。 4.根据权利要求1所述的一种单激励超声椭圆振动换能器，其特征在于：前盖板上设 置有法兰盘，用于单激励超声椭圆振动换能器与外部结构的联接。 权 利 要 求 书CN 104438028 A 1/3页 3 一种单激励超声椭圆振动换能器 技术领域。
5、 0001 本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声振动领域，尤其是涉及一种采用单电 信号进行激励的超声椭圆振动压电换能器。 背景技术 0002 超声椭圆振动在超声振动切削、超声焊接、超声研磨、超声抛光、直线超声电机和 旋转超声电机等领域具有较广泛的应用。目前研究人员大多采用纵向振动、扭转振动、弯曲 振动和径向振动中的两种振动形式进行复合来产生超声椭圆振动，需要采用两组或两组以 上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个或多个振动模态，还必须为每组压电陶 瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声 振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高、生产成本。
6、高、不易实现微型化、工 作性能不够稳定，这些问题制约了超声椭圆振动换能器在工业生产中的应用与推广。 0003 为了克服上述超声椭圆振动换能器技术中的不足，北京航空航天大学学报2005 年2月第31卷第2期上论文“基于有限元分析的椭圆振动切削换能器”，提出了一种单一电 信号激励的结构不对称的超声椭圆振动切削换能器，并对该换能器进行了有限元动力学分 析和实验研究，取得了较好的实验效果，但是要进一步提高纵向振动到弯曲振动的转换，提 高椭圆振动轨迹短轴与长轴的比值，提高切削效果，仅依靠在变幅杆前端一侧添加质量块 和刀具的方式是不够理想的，并且从变幅杆到附加质量块以及从附加质量块到刀具需要两 次物理联接。
7、，导致从压电换能器到刀具的超声振动能量损失较大，影响了超声椭圆振动切 削效果。 发明内容 0004 本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动换能器，目的是为了克服上述单激 励超声振动换能器中存在的不足。 0005 一种单激励超声椭圆振动换能器，包括超声振动换能器和椭圆振动模态转换器， 所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶 瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板 联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源输出的超声电能转换为超 声振动换能器的超声振动能量。 0006 所述的椭圆振动模态转换器和前盖板。
8、制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者 将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构 成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振 动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一 端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁 的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处 均为圆弧过渡联接。 说 明 书CN 104438028 A 2/3页 4 0007 椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单激励超声椭圆 振。
9、动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜 梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为 一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量 传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的 纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。相比现有文献介绍的单激励超声椭圆 振动换能器，该单激励超声椭圆振动换能器具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单， 结构刚度大、制造容易、成本低、控制驱动系统简单和振动性能稳定等优点。 0008 更进一步，所述的单激励超声椭圆振动换能器。
10、的前盖板上设置有法兰盘，用于单 激励超声椭圆振动换能器与外部结构的联接。 0009 更进一步，所述的单激励超声椭圆振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。 0010 更进一步，所述的单激励超声椭圆振动换能器只需一路超声电信号激励。 0011 更进一步，单激励超声椭圆振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。 0012 本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换分解为 直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端合成为纵弯复合超声 椭圆振动，简化了超声椭圆振动换能器的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低 了制造、装配难度和生产成本，整个单激励超声。
11、椭圆振动换能器结构简单、制造容易，有利 于微型化目标的实现；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电信号进行激励，控制难度 低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化 了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，减小了控制电路及超声电 源体积，易于实现控制电路及超声电源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加稳 定，应用前景广阔。 附图说明 0013 图1是本发明的结构示意图。 0014 图2是本发明结构示意图的俯视图。 0015 图3是本发明的应用实例示意图。 0016 图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板。
12、，6. 法兰 盘，7. 椭圆振动模态转换器，8.超声电源。 具体实施方式 0017 结合图1、2所示，一种单激励超声椭圆振动换能器，包括超声振动换能器和椭圆 振动模态转换器7，超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的 后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板上设置有可与外部结构联接用的法兰 盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压 紧，构成了单激励超声椭圆振动换能器的能量转换部分，可将超声电源8输出的超声电能 转换为超声振动换能器的超声振动能量，单激励超声椭圆振动换能器只有一组纵向振动压 电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直。
13、径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：30155， 压电陶瓷片3的片数为2。 说 明 书CN 104438028 A 3/3页 5 0018 椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端， 椭圆振动模态转换器7包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的 截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换 能器的前盖板5联接，另一端悬伸，截面边长为1212mm，长72mm；斜梁的一端和超声换能 器的前盖板5偏离中心轴线的一侧联接，斜梁中心轴线和前盖板5的联接处距离前盖板5 的中心轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位。
14、联接，截面边长为1212mm。斜梁的中 心轴线和直梁的中心轴线成30夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板5的联接处均为圆弧 过渡联接，过渡圆弧半径为5mm。 0019 单激励超声椭圆振动换能器固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19 欧姆，超声电源8输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.840.01KHz， 且超声电源8在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。 0020 运行时，单激励超声椭圆振动换能器的电极片4接入超声电源8输出的电信号后， 由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能 器将超声电源8输出的电能转换为超。
15、声振动能量，并驱动整个换能器系统进行纵向超声振 动，当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有 一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态 转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动。 0021 当单激励超声椭圆振动换能器加载电压，运行10分钟达到稳定振动状态后，超声 电源8的输出电压为220V，电流为1.35A，使用激光多普勒测振仪测得椭圆振动模态转换器 7末端的超声椭圆振动长短半轴振幅分别为14.3微米和5.2微米，并通过具有李沙育图形 运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比 为2.73的超声椭圆振动轨迹。 说 明 书CN 104438028 A 1/2页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104438028 A 2/2页 7 图3 说 明 书 附 图CN 104438028 A 。