Пьезоэлектрический преобразователь

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в технологических процессах, например при ультразвуковой обработке материалов. Техническим результатом изобретения является снижение внутренних сопротивлений и повышение надежности. Преобразователь содержит пакет плоских пьезокерамических колец 1 с расположенными между ними токоподводящими шайбами 2. Пакет расположен между передней и тыльной накладками 5 и 6, скрепленными стяжным стержнем 7 посредством резьбовых соединений 8 и 9. Диаметр гладкой части d стержня 7 меньше диаметров D₁ и D₂ резьбовых соединений 8 и 9. Между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок 5 и 6, и резьбы, выполненной на стяжном стержне 7, а также в зазоре между поверхностью отверстия тыльной накладки 6 и гладкой частью стержня 7, находится слой припоя. Между стержнем 7 и отверстиями пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2 установлена втулка 11 из электроизоляционного материала. Отношение расстояния L₁ от середины длины участка резьбы конца стержня 7, закрепленного в передней накладке 5, до торца передней накладки к расстоянию L₂ от середины длины этого участка до конца стержня 7, закрепленного в отверстии тыльной накладки 6, составляет 0,3-0,6. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, действие которых основано на обратном пьезоэффекте и которые могут быть использованы в технологических процессах, например для ультразвуковой обработки различных материалов.

Из описания к авторскому свидетельству СССР 794779, кл. Н04R 17/00, опубл. 07.01.81 г. [1] известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет пьезоэлементов, расположенных между передней и тыльной накладками, которые скреплены стяжным стержнем при помощи резьбовых соединений.

Конструкция преобразователя, раскрытая в описании изобретения [1] (фиг.1), представляется малопригодной для использования в промышленных технологических установках, т.к. применение резьбовых соединений, не снабженных средствами фиксирования, сопряжено в условиях вибрации с риском самоотвинчивания деталей в процессе работы преобразователя.

Из описания к авторскому свидетельству SU №1450885, кл. В06В 1/06, Н04R 17/00, опубл. 15.01.89 г. [2] известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет пьезоэлементов, расположенных между передней и тыльной металлическими накладками, скрепленными металлическим стяжным стержнем, на поверхность которого нанесена резьба. Стяжной стержень скреплен с передней накладкой посредством резьбового соединения.

На торцевых поверхностях накладок преобразователя [2], контактирующих с пьезоэлектрическими элементами, имеются кольцевые проточки. Указанные проточки имеют треугольную форму и могут являться концентраторами напряжений, что в условиях вибрации может привести к образованию усталостных трещин в накладках. Как и в изобретении [1], вероятность самоотвинчивания в резьбовом соединении стяжного стержня с передней накладкой не исключена и в изобретении [2] из-за отсутствия в этом соединении фиксирующих элементов, предотвращающих самоотвинчивание.

Наиболее близким аналогом изобретения является пьезоэлектрический преобразователь, известный из описания к патенту RU №2230615, кл. В06В 1/6, Н01L 41/09, опубл. 20.06.2004 г. [3], содержащий пакет имеющих плоскую форму пьезокерамических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб, соединенных с клеммами для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, пакет пьезокерамических колец и токоподводящих шайб расположен между передней и тыльной металлическими накладками, имеющими осевые отверстия и скрепленными металлическим стяжным стержнем, на части поверхности которого выполнена резьба, стяжной стержень скреплен с передней накладкой посредством резьбового соединения, часть стяжного стержня, на которой отсутствует резьба, имеет гладкую поверхность и установлена с зазорами в отверстиях обеих накладок и в отверстиях пьезокерамических колец и токоподводящих шайб.

Конструкция преобразователя [3], как и рассмотренные выше [1] и [2], не может гарантировать в условиях вибрации надежного скрепления накладок стяжным стержнем, т.к. в резьбовом соединении стяжного стержня с передней накладкой отсутствуют средства фиксации. Наличие воздушных зазоров и полостей между деталями преобразователя [3] служит причиной повышенных внутренних сопротивлений и сдерживает распространение ультразвуковых колебаний. Кроме того, принцип, по которому осуществлено крепление стяжного стержня к накладкам, исключает возможность осевого настроечного (регулировочного) перемещения места резьбового соединения стержня с передней накладкой относительно этой накладки, что не позволяет осуществлять стяжку передней и задней накладок в синфазных сечениях для устранения отрицательного влияния стержня на динамический режим работы преобразователя.

Техническим результатом изобретения является снижение внутренних сопротивлений и повышение надежности преобразователя за счет более плотного и прочного соединения его деталей и использования рациональной схемы крепления стяжного стержня к накладкам.

Указанный технический результат достигается в известном пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пакет имеющих плоскую форму пьезокерамических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб, соединенных с клеммами для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, при этом пакет пьезокерамических колец и токоподводящих шайб расположен между передней и тыльной металлическими накладками, имеющими осевые отверстия и скрепленными металлическим стяжным стержнем, на части поверхности которого выполнена резьба, стяжной стержень скреплен с передней накладкой посредством резьбового соединения, часть стяжного стержня, на которой отсутствует резьба, имеет гладкую поверхность и установлена с зазорами в отверстиях обеих накладок и в отверстиях пьезокерамических колец и токоподводящих шайб. Отличительной особенностью преобразователя является то, что стяжной стержень закреплен в отверстии тыльной накладки посредством резьбового соединения, диаметр гладкой части стяжного стержня меньше диаметров его частей с резьбой, которыми стяжной стержень закреплен в отверстиях передней и тыльной накладок, между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок, и нитками резьбы, выполненной на стяжном стержне, между токоподводящими шайбами и пьезокерамическими кольцами, а также в зазоре между поверхностью отверстия тыльной накладки и гладкой частью стяжного стержня, находятся слои припоя, при этом отношение расстояния от середины длины участка резьбы конца стяжного стержня, закрепленного в передней накладке, до торца передней накладки к расстоянию от середины длины этого участка до конца стяжного стрежня, закрепленного в отверстии тыльной накладки, составляет 0,3-0,6.

Предусмотрены следующие частные случаи выполнения изобретения.

Преобразователь может быть дополнительно снабжен фланцем для крепления к технологическому оборудованию, выполненным заодно с передней накладкой, имеющим тарельчатую форму и резонансные размеры, который расположен в узле колебательных смещений передней накладки. В этом случае одна из клемм, служащих для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, может быть закреплена на фланце для крепления к технологическому оборудованию, а другая закреплена в узле колебательных смещений пакета пьезокерамических колец и токоподводящих шайб.

Между стяжным стержнем и отверстиями пьезокерамических колец и отверстиями токоподводящих шайб может быть установлена втулка из электроизоляционного материала. Упомянутая втулка может быть выполнена из фторопласта.

Зазор между гладкой частью стяжного стержня и поверхностью отверстия тыльной накладки может составлять 0,20-0,35 диаметра гладкой части стяжного стержня.

Температура плавления припоя, находящегося между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок, и нитками резьбы, выполненной на стяжном стержне, находящегося между токоподводящими шайбами и пьезокерамическими кольцами, а также припоя, находящегося в зазоре между поверхностью отверстия тыльной накладки и гладкой частью стяжного стержня, может быть на 10°С ниже половины значения температуры точки Кюри материала пьезокерамических колец.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показан общий вид преобразователя в продольном разрезе.

Как видно из чертежа, пакет пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2 с клеммами 3 и 4, служащими для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, установлен между передней накладкой 5 и тыльной накладкой 6. Пакет пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2 составляет пьезоэлектрический элемент, который предназначен для возбуждения колебаний в системе преобразователя.

Обе накладки 5 и 6 имеют цилиндрическую форму и выполнены из металла. В обеих накладках 5 и 6 выполнены цилиндрические осевые отверстия, имеющие резьбу. Накладки 5 и 6 скреплены металлическим стяжным стержнем 7 посредством резьбовых соединений - резьбового соединения 8 (соединение передней накладки 5 со стяжным стержнем 7) и резьбового соединения 9 (соединение тыльной накладки 6 со стяжным стержнем 7).

Отношение расстояния L₁ от середины длины участка резьбы конца стяжного стержня 7, закрепленного в передней накладке 5, до торца передней накладки 5 к расстоянию L₂ от середины длины этого участка до конца стяжного стрежня 7, закрепленного в отверстии тыльной накладки 6, составляет 0,3-0,6.

Преобразователь может иметь фланец 10, выполненный заодно с передней накладкой 5, предназначенный для крепления преобразователя к технологическому оборудованию. Фланец 10 расположен в узле колебательных смещений передней накладки. Он выполнен тарельчатой формы и имеет резонансные размеры. В этом случае выполнения одна из клемм (клемма 3) закреплена на фланце 10, а другая клемма (клемма 4) закреплена в узле колебательных смещений пакета пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2. В этом случае электрический ток может поступать от клеммы 3 к токоподводящим шайбам 2 через переднюю накладку 5.

Стяжной стержень 7 имеет среднюю часть с гладкой поверхностью. По концам стяжного стержня 7 имеются участки с резьбой. Диаметр d гладкого участка стяжного стержня 7 меньше, чем диаметры D₁ и D₂ резьбовых участков стяжного стержня 7, используемых в резьбовых соединениях 8 и 9 соответственно. Гладкий участок стяжного стержня 7 частично расположен в отверстиях передней и тыльной накладок. В этих местах имеются зазоры S₁ и S₂. В зазоре S₁ между поверхностью отверстия тыльной накладки 6 и гладкой частью стяжного стержня 7 находится слой припоя. Слои припоя находятся в местах резьбовых соединений 8 и 9 между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок 5 и 6, и нитками резьбы, выполненной на стяжном стержне 7, а также между токоподводящими шайбами 2 и пьезокерамическими кольцами 1.

Температура плавления упомянутого припоя (в градусах Цельсия) может быть на 10°С ниже половины значения температуры точки Кюри (в градусах Цельсия) материала пьезоэлектрических колец 1.

Между гладкой частью стяжного стержня 7 и отверстиями пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2 может быть установлена втулка 11 из электроизоляционного материала, например из фторопласта.

Зазор S₁ между гладким участком стяжного стержня 7 и поверхностью отверстия передней накладки 5 может составлять от 0,20 до 0,35 диаметра d гладкого участка стяжного стержня 7.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

Посредством фланца 10 преобразователь закрепляют на технологическом оборудовании. При подаче от генератора переменного напряжения ультразвуковой частоты на клеммы 3 и 4, соединенные с токоведущими шайбами 2, пьезокерамические кольца 1 увеличивают или уменьшают свои размеры и происходит преобразование электрической энергии в энергию колебаний. Продольные колебания ультразвуковой частоты передаются накладкам 5 и 6. Передняя накладка 5, играя роль резонатора, увеличивает колебательную скорость. Резонансная частота передней накладки 5 становится резонансной частотой всего преобразователя в целом. Тыльная накладка 6, размеры которой соответствуют резонансной частоте, уменьшает амплитуду колебаний в сторону, противоположную рабочему торцу передней накладки.

Благодаря тому, что резьбовое соединение 8 стяжного стержня 7 с передней накладкой 5 расположено в месте, обеспечивающем стяжку передней и тыльной накладок в синфазных сечениях, достигается устранение влияния стяжного стержня 7 на динамический режим работы преобразователя. В стяжном стержне 7 в процессе работы имеют место только статические нагрузки, т.е. нагрузки от усилий, которыми стержень 7 стягивает накладки 5 и 6. Посредством торца передней накладки 5 колебания ультразвуковой частоты передаются технологическому оборудованию.

Предпочтительность выполнения приведенных выше рекомендаций по соблюдению в предлагаемом преобразователе определенного интервала отношений длин L₁/L₂ подтверждается результатами опытов, приведенных в прилагаемой таблице.

Наличие слоя припоя между нитками резьбы в соединениях 8 и 9, а также в зазоре S₁ между гладкой частью стяжного стержня 7 и тыльной накладкой 6, препятствует возникновению самоотвинчивания и, увеличивая плотность соединения тыльной накладки 6 со стяжным стержнем 7, снижает внутренние сопротивления ультразвуковым колебаниям. Слои легкоплавкого припоя, находящиеся между пьезокерамическими кольцами 1 и токоподводящими шайбами 2, предохраняют пьезокерамические кольца 1 от разрушений под влиянием вибраций.

Припой, который имеет температуру плавления на 10°С ниже, чем половина значения температуры точки Кюри материала пьезокерамических колец 1, обеспечивает повышение надежности работы преобразователя вследствие возможности проведения монтажных работ при относительно низких (щадящих материал пьезокерамических колец 1) температурах.

Выполнение фланца 10 заодно с передней накладкой, с резонансными размерами и тарельчатой формы позволяет в значительной мере снизить его отрицательное влияние на КПД преобразователя.

Наличие втулки 11 из электроизоляционного материала в зазоре между стяжным стержнем 7 и деталями пьезоэлемента повышает надежность устройства. Рекомендуемым материалом для втулки 11 выбран фторопласт благодаря его электроизоляционным свойствам и повышенной термостойкости.

Размещение одной из клемм (клеммы 3) в узле колебательных смещений фланца 10 передней накладки 5, а другой клеммы (клеммы 4) - в плоскости колебательных смещений пакета пьезокерамических колец 1 и токоподводящих шайб 2, минимизирует воздействия ультразвуковых колебаний на эти клеммы в процессе работы преобразователя, чем снижается риск усталостных разрушений в местах присоединений токоподводящих проводов от генератора, присоединенных к клеммам 3 и 4.

Изготовленные опытно-промышленные образцы предлагаемого преобразователя показали при испытаниях повышение надежности и увеличение КПД в 1,5-1,7 раза по сравнению с известными аналогичными конструкциями.

Таким образом, реализация предлагаемого устройства обеспечивает достижение указанного выше технического результата.

Таблица.
Зависимость внутреннего сопротивления преобразователя от отношения расстояния L1 к расстоянию L2
N п.п. опыта	Расстояния (мм)	Отношение L1/L2	Внутреннее сопротивление (Ом)
L1	L2
1	28,0	140,0	0,20	223
2	32,0	128,0	0,25	112
3	36,0	120,0	0,30	56
4	38,0	108,0	0,35	38
5	40,0	100,0	0,40	25
6	43,0	95,5	0,45	11
7	40,0	80,0	0,50	22
8	38,0	70,0	0,55	42
9	36,0	60,0	0,60	61
10	32,0	50,0	0,65	98
11	28,0	40,0	0,70	204

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пакет имеющих плоскую форму пьезокерамических колец и расположенных между ними токоподводящих шайб, соединенных с клеммами для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, пакет пьезокерамических колец и токоподводящих шайб расположен между передней и тыльной металлическими накладками, имеющими осевые отверстия и скрепленными металлическим стяжным стержнем, на части поверхности которого выполнена резьба, стяжной стержень скреплен с передней накладкой посредством резьбового соединения, часть стяжного стержня, на которой отсутствует резьба, имеет гладкую поверхность и установлена с зазорами в отверстиях обеих накладок и в отверстиях пьезокерамических колец и токоподводящих шайб, отличающийся тем, что стяжной стержень закреплен в отверстии тыльной накладки посредством резьбового соединения, диаметр гладкой части стяжного стержня меньше диаметров его частей с резьбой, которыми стяжной стержень закреплен в отверстиях передней и тыльной накладок, между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок, и нитками резьбы, выполненной на стяжном стержне, между токоподводящими шайбами и пьезокерамическими кольцами, а также в зазоре между поверхностью отверстия тыльной накладки и гладкой частью стяжного стержня находятся слои припоя, при этом отношение расстояния от середины длины участка резьбы конца стяжного стержня, закрепленного в передней накладке, до торца передней накладки к расстоянию от середины длины этого участка до конца стяжного стрежня, закрепленного в отверстии тыльной накладки, составляет 0,30-0,6.

2. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен фланцем для крепления к технологическому оборудованию, выполненным заодно с передней накладкой, имеющим тарельчатую форму и резонансные размеры, который расположен в узле колебательных смещений передней накладки.

3. Пьезоэлектрический преобразователь по п.2, отличающийся тем, что одна из клемм, служащих для подключения преобразователя к ультразвуковому генератору, закреплена на фланце для крепления к технологическому оборудованию, а другая закреплена в узле колебательных смещений пакета пьезокерамических колец и токоподводящих шайб.

4. Пьезоэлектрический преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что между стяжным стержнем и отверстиями пьезокерамических колец и отверстиями токоподводящих шайб установлена втулка из электроизоляционного материала.

5. Пьезокерамический преобразователь по п.4, отличающийся тем, что втулка, установленная между стяжным стержнем и отверстиями пьезокерамических колец и отверстиями токоподводящих шайб, выполнена из фторопласта.

6. Пьезоэлектрический преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что зазор между гладкой частью стяжного стержня и поверхностью отверстия тыльной накладки составляет 0,20-0,35 диаметра гладкой части стяжного стержня.

7. Пьезоэлектрический преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что температура плавления припоя, находящегося между нитками резьбы, выполненной в отверстиях накладок, и нитками резьбы, выполненной на стяжном стержне, находящегося между токоподводящими шайбами и пьезокерамическими кольцами, а также припоя, находящегося в зазоре между поверхностью отверстия тыльной накладки и гладкой частью стяжного стержня, на 10°С ниже половины значения температуры точки Кюри материала пьезокерамических колец.