Пьезокерамический ультразвуковой преобразователь Советский патент 1991 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к ультра звуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем ультразвуковом оборудовании, созданном на базе пьезокерамических преобразователей.

Целью изобретения является стабилизация характеристик преобразователя в процессе работы.

На фиг.1 представлен ультразвуковой преобразователь, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг. 1

Излучающий элемент преобразователя выполнен в виде экспоненционального концентратора 1 ультразвуковой энергии, совмещенного с полым цилиндрическим стержнем 2, расположенным со стороны основания концентратора и имеющим резьбу на внешней поверхности своего свободного конца. Стержень 2 выполнен с глухим отверстием 3 и перфорирован четырьмя симметрично расположенными вдоль его оси прямолинейными сквозными пазами 4. На стержне 2 установлен электроизоляционный элемент, который изготовлен из стали, т.е. из электропроводящего материала, и выполнен в виде пружины 5 сжатия, поверхность которой покрыта слоем порошковой эпоксидной краски, например марки П-ЭП- 534. На пружину 5 надеты последовательно

О W

ч

00 00

расположенные активный элемент преобразователя, представляющий собой два пьезокерамических кольца 6 с расположенной между ними токоведущей шиной 7, частотопонижающая накладка 8, изготовленная из стали 45 в виде полого цилиндра, электроизоляционная, например, гетинак- совая прокладка 9, токоведущая шина 10, пьезокерамическое кольцо 11, являющееся датчиком обратной акустической связи, и токоведущая шина 12. Пьезокерамические кольца 6 и 1.1, частотопонижающая накладка 8 и токоведущие шины 7, 10 и 12 посредством металлической прижимной гайки 13, выполненной со сквозными пазами 14, расположенными на ее резьбовой поверхности, и сквозными отверстиями 15; оси которых перпендикулярны ее продольной оси симметрии, стянуты между собой, а первое из пьезокерамических колец 6 активного элемента преобразователя плотно прижато к основанию концентратора 1. Для подсоединения преобразователя к ультразвуковому генератору, осуществляемого с помощью проводов 16 - 18, в токоведущих шинах 7, 10 и 12, изготовленных из меди в виде плоских колец, выполнены отверстия (не обозначены), в которые запаяны концы сердечников указанных проводов, Для присоединения к концентратору 1 рабочего инструмента (не показан) в его излучающем торце выполнено резьбовое отверстие 19, а для обеспечения безопасности и удобства пользования составные элементы преобразователя, внутренняя поверхность которых в совокупности с внешней поверхностью стержня 2 ограничивает полость 20, помещены внутрь корпуса, образованного полым цилиндром 21 и крышкой 22, в котором они закреплены посредством фиксаторов 23 и 24. Для обеспечения циркуляции воздуха как внутри корпуса ультразвукового пре- образовётеля, так и в упомянутой полости 20, цилиндр 21 и крышка 22 корпуса перфорированы сквозными отверстиями 25, а па- . зы 4 стержня 2 выполнены с размерами, что их суммарная площадь превышает суммарную площадь отверстий 15 и пазов 14, выполненных в прижимной гайке 13. Вывод проводов 16 - 18 из полости корпуса в предлагаемом преобразователе осуществлен через отверстие 26, выполненное в центре крышки 22.

Преобразователь работает следующим образом.

Напряжение ультразвуковой частоты от ультразвукового генератора через провод 16 и токоведущую шину 7 подается к пьезо- керамическим кольцам 6, а через провод 18, токоведущую шину 12 и прижимную гайку

13 - к концентратору 1 ультразвуковой энергии. Вследствие этого пьезокерамические кольца 6, т.е. активный элемент преобразователя, за счет обратного пьезоэффекта возбуждается и начинают совершать механические колебания с частотой основного резонанса, которые передаются концентратору 1, частотопонижающей накладке 8, электроизолирующей прокладке 9, токоведущей шине 10, пьезокерамиче- скому кольцу 11, т.е, датчику обратной акустической связи и прижимной гайке 13. В результате этого за счет прямого пьезоэффекта, т.е. под действием механических колебаний, в пьезокерамическом кольце 11 возникают электрические заряды, имеющие противоположные знаки и изменяющуюся во времени частоту механических колебаний, которые снимаются токоведущей шиной 10 и по проводу 17 поступают в систему

. автоподс-тройки частоты ультразвукового генератора.

В процессе работы преобразователя, колебания которого снимаются с излучающего торца концентратора 1, его составные

элементы за счет потерь нагреваются, но степень их нагрева значительно меньше, чем в известном преобразователе, так как в нем, во-первых, образована полость 20, которая посредством системы пазов и отверстий сообщена с атмосферой, а во-вторых, вследствие разности суммарных площадей пазов 4 и отверстий 15 с пазами 14 наблюдается наличие вполне интенсивного конвекционного перемещения воздуха,

заполняющего все пустоты преобразователя и охлаждающего его поверхности. Изготовление электроизоляционного элемента, выполняющего в преобразователе две функции, в виде пружины 5, покрытой

порошковой эпоксидной краской, характеризующейся отличными электроизоляционными свойствами и высокой0 износостойкостью, приводящее к образованию полости 20 с длиной, превышающей

суммарную высоту пьезокерамических колец 6 и 11, частотопонмжающей накладки 8 и токоведущих шин 7, 10 и 12 на расчетную величину, практически полностью исключает возможность самоотвинчивания прижимной гайки 13, воздействуя на нее вдоль оси симметрии преобразователя при его работе.

При изготовлении преобразователя предлагаемой конструкции необходимо

учитывать ряд особенностей.

Электроизоляционный элемент преобразователя, т.е. пружину 5, наиболее целесообразно изготавливать из пружинной стали и с круглым поперечным сечением.

Величина шага витков пружины, равно как и ширина пазов 4, выполненных в полом стержне 2 концентратора 1, должна быть достаточной в своих размерах для пропускания через них проводов, соединяющих преобразователь с ультразвуковым генератором. Длина пружины должна быть такой, чтобы с достаточной силой противодействовать самоотвинчиванию прижимной гайки. Эта длина может быть установлена экспериментальным путем или быть рассчитана по известным зависимостям. Для создания на поверхности пружины электроизолирующего, слоя наиболее целесообразно использовать порошковую эпоксидную краску независимо от ее марки, например П-ЭП- 219 или же П-ЭП-534, и цвета. Толщина слоя краски может быть практически любой, но не менее 40 - 60 мкм. Если метод нанесения краски на поверхность пружины не приводит к появлению каких-либо нежелательных последствий, то температура отверждения краски уже может оказать некоторое влияние на ее электроизолирующие свойства. Наиболее целесообразно отверждение краски проводить при температуре не ниже 170°С.

Диэлектрические свойства покрытий из порошковых эпоксидных красок достаточно высоки и при комнатной температуре и частоте 1000 Гц составляют: Диэлектрическая проницаемость4-5;Тангенс угла диэлектрических потерь 0.002-0,02: Удельное объемное сопротивление, Ом м 1017 - 1018: Электрическая прочность, МВ/м 15-50 С повышением температуры удельное объемное сопротивление покрытий снимается л при 120 - 150°С достигает 1014 - 10 Ом м. Свойства порошковых покрытий существенно зависят от условий отверждения. Покрытия, отвержденные при высоких температурах (180 - 230°С), всегда имеют лучшие свойства, чем при низких (120 - 150°С).

Вариант перфорации прижимной гайки 13 может быть любым, например в виде

только одних пазов 14 при их выполнении на резьбовом участке этой гайки, вследствие чего ее прижимные возможности нисколько не снижаются, но при обязательном соблюдении неравенства площадей перфорации прижимной гайки 13 и стержня 2, так как в противном случае интенсивность конвекционного перемещения воздуха внутри преобразователя будет резко снижена, что крайне нежелательно. При этом наиболее

целесообразным с точки зрения равномерности отвода тепла от внутренних поверхностей составных элементов преобразователя является выполнение пазов 4 в стержне 2 концентратора 1 прямолинейным с расположением их вдоль оси данного стержня и симметрично по его образующей.

Формула изобретения

20

Пьезокерамический ультразвуковой преобразователь, содержащий концентратор энергии. совмещенный с полым стержнем, электроизоляционный элемент, охватывающий внешнюю поверхность полого стержня расположенные на электроизоляционном элементе пьезокера- мические кольца, частотогюнижающую накладку, токоведущие шины и прижимную

гайку, связанную со свободным концом полого стержня посредством резьбового соединения, отличающийся тем. что. с целью стабилизации характеристик в процессе работы, электроизоляционный элемент выполнен в виде пружины сжатия из электропроводного материала, поверхность которой покрыта слоем порошковой эпоксидной краски, а длина превышает суммарную высоту пьезокерамических колец,

частотопонижающей накладки и токоведу- щих шин, причем прижимная гайка выполнена со сквозными отверстиями, сообщающими пространство между витками пружины сжатия с атмосферой, а полый

стержень перфорирован симметрично расположенными прямолинейными сквозными пазами, суммарная площадь которых не равна суммарной площади сквозных отверстий прижимной гайки.

it

Фие1

Изобретение относится к области ультразвуковой техники. Цель - стабилизация характеристик преобразователя в процессе работы. Концентратор энергии 1 совмещен с полым стержнем 2. Электроизоляционный элемент, охватывающий внешнюю поверхность стержня 2, выполнен в виде пружины сжатия 5 из электропроводного материала, поверхность которой покрыта слоем порошковой эпоксидной краски, а длина превышает суммарную высоту пьезокерамических колец 6 и 11. частотолонижающей накладки 3 м токоведущих шин 7, 10. Внутренняя резьбовая поверхность прижимной гайки 13 выполнена со сквозными продольными пазами 14, а ее боковая поверхность - со сквозными отверстиями , оси которых перпендикулярны продольной оси симметрии гайки. Полая цилиндрическая трубка 2 перфорирована симметрично расположенными прямоугольными сквозными пазами 4, суммарная площадь которых не равна суммарной площади сквозных продольных пазов и отверстий прижимной гайки 13. В процессе работы осуществляется интенсивный отвод тепла от преобразователя. с

3 22 75 2i

2S/

1Ь Фиг.г

17

фие З