超声波洁牙机的制作方法
专利名称超声波洁牙机的制作方法
技术领域本发明属于超声波洁牙机的改进。
本发明提出以前，国外已有多种超声波洁牙机，国内也有上海超声波仪器厂生产的超声波洁牙机，第四军医大学发明的超声波洁牙机(专利号为)，这些洁牙机的工作原理基本相同，都是以超声波功率信号源驱动超声波换能器，使超声波换能器上的刀具产生高速振动，去清除牙齿表面或根管中的污垢，实现对牙病的基础治疗。
但上述国内或国外的洁牙机，都存在如下共同缺点(1)换能器寿命短，国外某些产品的保修期为3个月，国内也如此，被列入易损耗部件;(2)换能器与电路没有互换性，因此，换能器损坏后，整机就报废，影响整机寿命;(3)没有功率跟踪功能，对坚硬滑韧的结石，洁治效果差;(4)无开、短路保护功能，致使机器经常损坏;(5)现有的洁治根管的专用工具使用效果不好。
本发明的目的是对上述缺点作出改进。
本发明的目的是这样实现的设计一种新型结构的换能器，从根本上解决换能器易损耗的问题;设计一个“超声波功率振荡器”，使机器具有良好的自动频率跟踪性能，解决换能器与电路不能互换的问题;设计一个“跟踪恒流源”，以保证功率自动跟踪和解决开、短路自我保护问题;设计两种新型刀具，以解决根管和其它牙病的洁治问题。
本发明的优点为(1)换能器性能稳定，寿命较现有技术长一倍;(2)换能器与电路具有良好的互换性;(3)洁牙效果好;(4)具有开短路保护功能，使用要求低，机器不易损坏;(4)使用本发明的根管刀具后，洁治效果良好。
下面结合附图详细介绍
具体实施例方式附图说明
图1为工作手柄结构图;
图2为整机原理图;
图3为超声波功率振荡器、自动功率跟踪和负载开短路保护电路图;
图4为多用途刀具结构图;
图5为根管预备刀具结构图;
图6为工作手柄支架结构图;
参看图1，变幅杆(14)是一中空的园管，其右端制有螺纹，用于安装各种治疗用的工作头。变幅杆左端依次装有一个园形悬梁(15)和四个极片(4)，压接螺帽(2)紧贴园形悬梁，套在变幅杆左端，手机端头(3)套在压接螺帽和变幅杆外面，园形悬梁(15)和四个极片(4)之间插入四个陶瓷片(6)将它们分开。然后，用螺纹连接将变幅套(13)连到变幅杆上，拧紧螺纹，将上述各零件压紧在变幅杆的凸台和变幅套的端面之间。园形悬梁(15)与陶瓷片(6)之间，以及陶瓷片(6)与极片(4)之间，用绝缘胶粘结，构成λ/2换能器，亦称超薄悬梁结构换能器。四个极片(4)分成两组，每组两片，均并联后分别与极片(9)的两个引线相连。变幅杆(13)的左端制有一个锥形凸面，用于连接塑料水管(12)，塑料水管(12)的尾部装有尾套管(7)和橡胶管(16)，以保护塑料水管(12)。2个大气压的压力水(或来自置于高处的水桶内的水)由塑料水管(12)内进入，流至中空的变幅套(13)和变幅杆(14)，再流至工作头，起冷却作用。工作手柄外壳(1)与园形悬梁(15)之间装有一个胶圈(11)，起密封作用，防止冷却水回流到换能器的电气元件上。
整流电路参见图2±18V组由1D1～4和1C1、1C2组成，输出端受J1-1、J1-2控制，给跟踪恒流源供电。+24V组由1D5和1C3组成，输出受脚踏开关1K2控制，给J1继电器、指示、照明、电磁阀电路供电。
超声波功率振荡器电路如图3中的2，该电路由高速运放IC3、异极性功率对管T1、T2、阻抗匹配器B2和选通网络3等组成。运算放大器(IC3)的反相输入端通过电阻2R15接地，同相输入端依次通过电阻2R7、2R8接地，输出端通过电阻2R13与两个异极性功率三极管(T1、T2)的集电极和匹配变压器初级线圈相接;三极管(T1、T2)的发射极分别与自动功率跟踪、自动负载开、短路保护电路的两个输出端相接;选通网络跨接在电阻2R7与2R8的接点和匹配变压器的次级线圈之间;匹配变压器次级线圈与选通网络连接的一端通过电阻2R14接地，另一端与换能器相接;
当跟踪恒流源1从+V0、-V0加电时，振荡器2受到一个冲激，冲激信号由B2的初级来耦合到B2的次级，次级回路产生自由振荡，回路中电流最大的频率是与换能器串联谐振的频率。这时，取样电阻2R14上的电压振幅最大，这个电压经选通网络3反馈到IC3的同相(+)输入端，产生自激振荡。选通网络3的作用是滤除手机XL1.2一阶共振频率以外的谐波和杂散频率分量。选通网络3由2L1～2L2和2C8～2C10组成一个窗口函数滤波器。其3db带宽约为2000Hz时，有效地保证了手机XL在频率变化达2000Hz时，机器仍具有良好的自动频率跟踪性能。弥补了已有机器(包括国外高级型，如法国pu20008)手机与主机电路不能互换或手机负载过重时不能自动跟踪的重要缺陷。
自动功率跟踪和负载开短路保护功能由图3中的跟踪恒流源保证。它由IC1三端可调稳压器LM317、基准恒流源T4、运算放大器IC2、大功率晶体管T3等组成。三极管(T3)的集电极为保护电路的一个输入端(-V1)，发射极为保护电路的一个输出端(-V0)，基极与运算放大器(IC2)的输出端相连;三端稳压器(IC1)的一端为保护电路的另一输入端(+V1)，一端经过电阻2R1到保护电路的另一输出端(+V0)，稳压器的另一端接到功率设置电位器(W)的中间抽头;功率设置电位器(W)的另两端分别接到保护电路的输出端(+V0)和基准恒流源(T4)，基准恒流源(T4)的另一端经过电阻2R4到保护电路的输入端(-Vi);电阻2R2、2R3串联，电容2C1、2C2串联，分别跨接于保护电路两个输出端之间，2R2与2R3的接点与运算放大器(IC2)的反相输入端相接，2C1与2C2的接点处和运算放大器的同相输入端均接地。IC1三端可调稳压器(或三端固定稳压器)担负电子调节器，由2R1、W、2D2、T4场效应基准恒流源和2D3、2R4、2C3组成取样网络。由上述两大部分组成正极性可调恒流源。由IC2运放、T3大功率三极管等组成调节单源。由2R2、2R3组成取样网络，这两大部分组成负极性自动跟踪恒流源。
洁牙时手机XL负载加重、内阻增大，振荡器的电压振幅如要不增大;则手机功率必然下降，其数学表达式为↓P(u)＝(USinωt)2/RXL↑跟踪恒流源则保证在手机内阻RXL增大时，电源电压亦跟着增大，即恒流供电，使振荡器的输出电压USinωt随之上升。从而，保证了手机功率不下降。另外，当振荡电路的负载出现开路、短路时，有可能造成辐射反馈性的高频振荡，工作电流骤烈上升而烧坏振荡电路。这时，由于采用了跟踪恒流源供电。所以，起到了自动保护作用。
本机器由于具备良好的频率跟踪和功率跟踪性能，只要将手机上的洁治刀具换成根管刀具后，便可作根管预备手术。弥补了已有机器的第五条缺陷。
本机的电磁阀电路设计成冲激起动式。参见图2以1号阀F1为例冲激起动电路由1C4和1R4组成。当脚踏开关1K2接通时，初始为变化电压从小到大。这时，1C4的充电电流和1R4的电流并联流经1号阀F1，电流较大、电磁力很强，保证了电磁可靠启动。进入稳态后1C4相当于开路，流经电磁阀F1的电流较小，处于小电流维持状态。这样，使电磁阀既能可靠起动又降低了功耗而不会发热(在国内机器中，电磁阀的故障占总故障率的30%左右)。
机器的手机架设计新颖，为可旋转式，使用灵活方便、结构如图4。螺帽(45)通过承接架(41)上的螺栓将其转动连接在机壳侧板(47)上，螺帽与机壳侧板之间垫有垫片(44)，机壳侧板与承接架之间夹有定位板(42)，在承接架与定位板接触的内面上打一小孔，然后将弹簧(43)、钢珠(46)反铆于内，作为碰珠;在定位板上按需要打若干园孔，作定位之用，承接架转动时碰珠与定位孔能相对应。使用时，根据需要将承接架转到适当位置。
本机除具备已有机器所配的龈上、龈下刀具外，还设计了尖四刀的多用途刀具，见图5。针杆(52)中间有喷水的空腔(53)，针头(51)在针杆的前端为一四棱锥形，与针杆成100°到160°的夹角。它适用于牙齿内、外侧，龈上、下任何位置和形状的洁治。
根管预备的刀具见图6。针杆(61)的顶端装有螺钉(62)，紧靠螺钉的针杆上开有一小孔，用于安装针锉(63)，针杆与针锉的夹角为100°到160°。更改针锉时，只要拧松螺钉，换上针锉即可。
整机电原理图如图2。220V/50Hz单相交流电经变压器B1降压后整流滤波，一路经继电器J1-1，J1-2两触点加至超声波洁牙机电路。其输出经K3-3功能选择开关加到手机XL1或XL2。另一路供给继电器J和功能选择指示灯。
机器的主要性能如下1、工作频率29kc2、频率跟踪2000Hz/3db3、输出功率Pma≮10W
2W～10W连续可调。
4、功率跟踪滞后量＜20%。
5、自动保护等于预置恒流值。
6、电源220V/50Hz～60Hz，110V/50Hz～50Hz，功率≤40W。
1.一种由电源电路，指示照明电路等组成的超声波洁牙机，其特征是它还包括一个超薄悬梁结构的换能器，一个自动功率跟踪、自动负载开、短路保护电路，一个自动频率跟踪振荡器，一组电磁阀电路，两个可更换的与换能器的变幅杆用机械连结的工作头和安放电气线路等的外壳组成。
2.如权利要求1所说的洁牙机，其特征在于超薄悬梁结构的换能器由一个变幅杆(14)、一个套在变幅杆(14)上的园形悬梁(15)、四个极片(4)和插在其间的四个陶瓷片(6)以及与变幅杆用螺纹相连、用以压紧上述零件的变幅套(13)组成。
3.如权利要求2所说的洁牙机，其特征在于变幅杆(14)为中空的管形结构，一端制有用于连接工作头的螺纹，另一端制有连接变幅套的螺纹，中间有一个用于园形悬梁(15)定位的凸台。
4.如权利要求2所说的洁牙机，其特征在于园形悬梁(15)和极片(4)之间用绝缘胶粘结。
5.根据权利要求1所述的洁牙机，其特征是，自动功率跟踪、自动负载断、短路保护电路是这样构成的三极管(T3)的集电极为保护电路的一个输入端(-V1)，发射极为保护电路的一个输出端(-V0)，基极与运算放大器(IC2)的输出端相连;三端稳压器(IC1)的一端为保护电路的另一输入端(+V1)，一端经过电阻2R1到保护电路的另一输出端(+V0)，稳压器的另一端接到功率设置电位器(W)的中间抽头;功率设置电位器(W)的另两端分别接到保护电路的输出端(+V0)和基准恒流源(T4)，基准恒流源(T4)的另一端经过电阻2R4到保护电路的输入端(-V1);电阻2R2、2R3串联，电容2C1、2C2串联，分别跨接于保护电路两个输出端之间，2R2与2R3的接点与运算放大器(IC2)的反相输入端相接，2C1和2C2的接点处和运算放大器的同相输入端均接地;
6.根据权利要求1所述的洁牙机，其特征是，自动频率跟踪振荡器是这样构成的运算放大器(IC3)的反相输入端依次通过电阻2R15接地，同相输入端通过电阻2R7、2R8接地，输出端依次通过电阻2R13与两个异极性功率三极管(T1、T2)的集电极和匹配变压器的初级线圈相接;三极管(T1、T2)的发射极分别与自动功率跟踪、自动负载开、短路保护电路的两个输出端相接;选通网络跨接在电阻2R7与2R8的接点和匹配变压器的次级线圈之间;匹配变压器次级线圈与选通网络连接的一端通过电阻2R14接地，另一端与换能器相接。
7.根据权利要求1所述的洁牙机，其特征是每个电磁阀与地线之间接有一个电阻，并有一个与电阻并联的电容器。
8.根据权利要求1所述的洁牙机，其特征是，工作头(刀具)可为如下的结构a.针杆(52)的前端为一与针杆成100°～160°夹角的四棱锥形针头，针杆的中间为一喷水空腔;b.针杆(61)为一中空的圆管，其顶端有一固定针锉的螺钉(62)，紧靠螺钉有一安装针锉用的小孔，针杆与针锉成100°～160°夹角。
9.根据权利要求1所述的洁牙机，其特征是工作手柄固定架有一个转动连接于机壳侧板上并在内侧装有弹簧碰珠(46)的承接架(41)、承接架有一可放置工作手柄的凹槽，一个定位板位于承接架与机壳侧板之间，并开有若干个与碰珠相对应的定位孔。
本发明属于牙科医疗设备。用于清除牙结石、烟垢、菌斑以及根管预备等牙科医术。它是一种全自动型新型机器。全机由自动频率跟踪、自动功率跟踪、自动负载开、短路保护电路与超声波换能器(又称手机)等部件组成。本发明的优点为(1)换能器性能稳定，寿命较现有技术长一倍；(2)换能器和电路具有良好的互换性；(3)洁牙效果好；(4)具有开、短路保护功能，使用要求低，机器不易换坏；(5)使用本发明的根管刀具后，洁治效果良好。
文档编号A61C17/20GK10140
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者陈高平, 黄力子, 欧阳沉, 朱寿庭, 赵大为 申请人:中国人民解放军空军工程学院, 中国人民解放军第四军医大学口腔医院欢迎来到慢慢买！ &
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于超声波洁牙机手柄的有限元分析的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：超声波洁牙机手柄的有限元分析 目录中文摘要.....................................................................................................................3Abstract.....................................................................................................................4第一章绪论...............................................................................................................5 1.1 本文研究的背景及其意义...........................................................................5 1.1.1 超声波洁牙机手柄的工作原理......(来源：淘豆网[/p-.html])............................................................5 1.1.2 超声波洁牙机手柄研究的重要意义...........................................................5 1.2 国内外超声波洁牙机手柄的发展简史和研究现状.................................. 5 1.2.1 超声波洁牙手柄的发展简史.....................................................................5 1.2.2 超声波洁牙机手柄的研究现状..................................................................6 1.3 超声波洁牙机的特点及其应用.....................................................(来源：淘豆网[/p-.html])..............7 1.3.1 与传统的洁牙机(手柄)的比较..............................................................7 1.3.2 超声波洁牙机(手柄)的特点..................................................................7 1.3.3 超声波洁牙机(手柄)存在的缺点及其不足.............................................7 1.4 论文研究的主要内容...................................................................................7第二章压电现象.........................................................................................(来源：淘豆网[/p-.html])..............8 2.1 引言............................................................................................................... 8 2.2 压电效应....................................................................................................... 8 2.2.1 纵向和横向压电效应............................................................................... 9 2.2.2 压电性................................................................................................(来源：淘豆网[/p-.html]).... 9 2.2.3 名词解释.................................................................................................9 2.3 压电效应参数............................................................................................. 10第三章超声波洁牙机手柄换能器及其变幅杆的理论设计................................11 3.1 压电材料及其性能.....................................................................................11 3.2 压电换能器的结构形式、特点及频率公式.............................................13 3(来源：淘豆网[/p-.html]).3 夹心式压电换能器.....................................................................................13 3.3.1 夹心换能器的设计.................................................................................13 3.4 超声波变幅杆的理论设计.........................................................................15 3.4.1 超声波变幅杆概述.................................................................................15 3.4.2 变截面杆纵振动的波动方程................................................(来源：淘豆网[/p-.html])...................16 3.5 变幅杆分析小结........................................................................................18第四章超声波洁牙机手柄的结构优化设计........................................................19 4.1 引言............................................................................................................ 19 4.2 有限元分析法及其有限元分析软件简介................................................20 4.2.1 有限元分析法..................................................(来源：淘豆网[/p-.html]).....................................20 4.2.2 有限元分析软件 ANSYS..........................................................................21 4.3 超声波洁牙机手柄的换能器和变幅杆的有限元分析及仿真...............25 4.3.1 超声波洁牙机手柄的换能器和变幅杆的有限元模型................................ 25 4.3.2 超声波洁牙机手柄的模态分析...............................................................27 4.3.3 不同长度换能器振动模态及其共振频率分析..........................................27 4.4 超声波洁牙机手柄的优化设计.................................(来源：淘豆网[/p-.html])...............................37 4.4.1 振动频率和节点位置随压电陶瓷片厚度的变化....................................... 37 4.4.2 振动频率和节点位置随后盖板厚度的变化..............................................40 4.5 本章总结..................................................................................................... 42第五章总结与展望.................................................................................................44参考文献:....................................................(来源：淘豆网[/p-.html])...........................................................44致谢...........................................................................................................................45超声波洁牙机手柄的有限元分析专业机械设计制造及其自动化学生杨波指导老师傅波中文摘要随着人么生活水平的提高,人们越来越重视牙齿的健康和清洁,超声波洁牙机作为一种安全,便捷的洁牙仪器得到广泛的应用。超声波洁牙机工作原理一般认为是这利用了超声在液体中的“空穴效应”。超声波洁牙机的清洁原理,在于利用超声波振动清水,使微细的真空气泡在水里产生,当真空气泡爆破时释放了储存在气泡里面的能量,释放温度约摄氏 5000 度以及超过 10,000 磅吋的压力将物件表面的油脂或污垢带走。超声波洁牙机手柄作为洁牙机的主要工作部分,主要作用是把高频(来源：淘豆网[/p-.html])的超声波电信号转换成高频振动,为了使电能和机械能的转换率达到最高,也就是让压电陶瓷的固有频率和换能器,变幅杆的振动频率相一致,产生最大共振。本文基于有限元分析法,针对超声波洁牙机手柄进行了比较详细的研究与讨论。第一步概括的介绍超声波洁牙机手柄的基本结构和工作原理,其中包含压电陶瓷的压电效应,性能特点,常见概念等等。通过改变超声波洁牙机手柄的各个结构参数,主要是指长度方面的,对于不同的结构参数,在 Solidworks 中建模然后导入到 ANSYS Workbench 中进行模态分析,观察不同的结构参数对对超声波洁牙机手柄振动的固有频率和节点位子的影响,之后选择最佳频率状态下所对应的超声波洁牙机手柄的结构参数,这样就可以达到优化的效果,作为超声波洁牙机手柄设计的理论参考。关键词:超声波,洁牙机手柄,有限元分析,结构优化FEA of Ultrasonic Teeth Cleaner HandleMajor Mechanical Design, Manufacturing and AutomationStudent Yang Bo Tutor Fu BoAbstractWith the improvement of people’s living standard, there is a growing emphasis on dental health and cleaning,ultrasonic scaler as a safe, convenient scaling instrument is widely used. The working principle of ultrasonicscaler is generally considered that the use of &hole effect& of ultrasound in liquid. So ultrasonic scaler cleaningprinciple is to use ultrasonic vibration of water, as the stored energy in the bubble inside releases when avacuum bubble burst, the pressure bring away grease or dirt on the surface of the object when the releasetemperature is about 5000 degrees Celsius and more than 10,000 pounds inch. Ultrasonic scaler scaler handleas the main part, its main function is to convert high-frequency ultrasonic to high frequency vibration signals,in order to make electrical and mechanical energy conversion rate the highest,that is, to make the naturalfrequency of piezoelectric ceramic and the vibration frequency of the transducer and horn line consistent, sothat to produce the greatest resonance. The article conducts a preliminary study on ultrasonic scaler handlebased on finite element analysis. First, a brief introduction on the structure and working principle of ultrasonicscaler handle,including the piezoelectric effect, the performance characteristics of eramics.Described the finite element analysis software ANSYS Workbench's applications in the designprocess of ultrasonic scaler handle, by changing all structural parameters of the ultrasonic scaler handle,mainly refers to the length. Use Finite element analysis software ANSYS Workbench to do the analysis ofdifferent structural parameters on natural frequencies of the handle,and then select the structural parameters ofthe handle under the best condition, to optimize the handle , as the preliminary reference to design the handleof ultrasonic scaler.Keywords:Ultrasonic, scaler handle, finite element analysis, structural optimization第一章绪论1.1 本文研究的背景及其意义1.1.1 超声波洁牙机手柄的工作原理超声波洁牙机是一种利用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic)的逆压电效应超声振动。超声波洁牙机的主机并不直接振动,而是将产生的高频电信号通过导线传输到超声波洁牙机手柄。压电陶瓷受到激励产生振动,进而带动工作头振动。与传统的洁牙机不同的是,超声波洁牙机不直接通过机械结构作用于牙齿,而是通过超声波(机械振动频率&20kHz)在水中产生的超声空化作用把牙齿表面的牙垢震碎清除掉。相对有老式的纯机械式洁牙机,它对牙齿没有损害。超声波洁牙机及其手柄是一种涉及压电学、材料学、力学以及控制理论等学科交叉的机电一体化产品。1.1.2 超声波洁牙机手柄研究的重要意义随着人么生活水平的提高,人们越来越重视牙齿的健康和清洁,超声波洁牙机作为一种安全,便捷的洁牙仪器得到广泛的应用。并且对洁牙机的智能化、标准化、节能性、环保性以及性价比提出了更高的要求。通过传统的实验法研究超声波洁牙机手柄的工作方式、提高它的工作效率,已经不能满足现代市场经济的要求。基于ANSYSWorkbench的有限元分析法,可以很好的解决这个问题,因为它不需要涉及出成品就能对其产品进行仿真,并且通过有限元方法分析手柄各部分的固有频率和振型。通过改变尺寸达到让各个部分产生共振的效果。这一方法现在很流行,虽然有些情况下是为了避免共振。通过对超声波洁牙机手柄的有限元分析的研究,可以很好的了解这一过程,对以后的学习有很大的帮助。1.2 国内外超声波洁牙机手柄的发展简史和研究现状1.2.1 超声波洁牙手柄的发展简史超声波洁牙是人类洁牙发展史的一大亮点。从用手指摩擦洁牙到超声波洁牙,人类洁牙历史经历了一个漫长的时期。人类在洁齿方面的战斗,可谓历史悠久。1700 年前的古埃及人就会用鸢尾花制成牙膏, 然后用手指蘸取來清洁牙齿;非洲的坦桑尼亚居民则在口中反复咀嚼并搓动“洛菲拉”的树枝以达到清洁牙齿的效果。而《礼记》中,关于“鸡初鸣,咸-漱”的记载则表明我国人民于 2000 年前就知道早晨要用盐水漱口了,敦煌莫高窟的壁画更证明了用手指揩齿是唐宋时期的刷牙方式。据记载当时的“牙膏”是以茯苓等药材煮成的。1873 年,英国高露洁公司推出了世界上第一支牙膏,拉开了现代人洁齿战斗的序幕。而今,刷牙已经成了人们日常生活中的习惯。同时,随着社会文明的发展,人类对口腔卫生保健也越来越重视。日常的牙刷从“手动”升级到“电动”,牙膏的功能也越来越高级,洗牙作为一种新兴的护齿保健方式,也开始受到欢迎和关注。专业洗牙就是用超声洁齿器去除牙齿表面附着的软垢、菌斑和牙石。它的主要目的是清洁牙齿,预防牙龈病和评估口腔清洁程度,同时也可以使你的牙齿变得更清洁明亮。洗牙后还必须及时进行牙面磨光术,因为洗牙后牙面容易粗糙,更容易聚集牙石,此外还要配合天天刷牙来保持洗牙成果。1.2.2 超声波洁牙机手柄的研究现状由于超声波洁牙机具有高效,省电,对牙齿危害小,清洁效果显著等特点,在人们的日常生活中得到了越来越多的应用,因而收到了很多厂商的青睐和研究。目前,国内常见的品牌有瑞士的 EMS,和国产的啄木鸟等。当然日本和美国等制造业发达的国家已经成熟的掌握了这项技术。国内的一些大学和研究机构主要是对现有的超声波洁牙机进行改进和优化。随着我国压电材料的制造的成熟,自由品牌也逐渐增多,比如啄木鸟等品牌。吴勋辉的专利一种超声波洁牙机手柄把超声波洁牙机手柄的内部各个部件设计成螺纹联接,如图 1-1 所示,一旦变幅杆和换能器尾座断裂,就可以快速更换新的,方便安装和维修。图 1-1 一种超声波洁牙机洁牙机手柄1.3 超声波洁牙机的特点及其应用1.3.1 与传统的洁牙机(手柄)的比较传统的洁牙机是用微型的电动机带动微型砂轮,通过砂轮的旋转把牙齿表面的牙垢去除掉。这种方法容易对牙齿表面的釉质造成损害,而且由于砂轮的尺寸,有些地方没办法到达。而且由于误操作造成牙龈的损害。超声波洁牙机是一种利用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic)的逆压电效应超声振动。超声波洁牙机的主机并不直接振动,而是将产生的高频电信号通过导线传输到超声波洁牙机手柄。压电陶瓷受到激励产生振动,进而带动工作头振动。与传统的洁牙机不同的是,超声波洁牙机不直接通过机械结构作用于牙齿,而是通过超声波(机械振动频率&20kHz)在水中产生的超声空化作用把牙齿表面的牙垢震碎清除掉。相对有老式的纯机械式洁牙机,它对牙齿没有损害。1.3.2 超声波洁牙机(手柄)的特点现在的洁牙机手柄设计的都很小,即使是女护士也很方便的能握住。洁牙机的工作部位就是工作头,因为口腔内环境的复杂,每个牙齿的形状都不一样,因此一般工作头都有 5 个左右。每一个工作的形状都不同,可以应用不同的工作头达到不同的部位,达到不同的工作效果。1.3.3 超声波洁牙机(手柄)存在的缺点及其不足弊端:不能经常使用,由于它是通过超声波振动来清洁牙齿的,使用后牙齿表面会变得肉眼看不见的粗糙,频繁使用对牙齿还是会造成伤害。价格偏贵,一般家庭不太愿意接受。1.4 论文研究的主要内容1,设计工作频率为 28khz 的超声波洁牙机手柄。2,用三维建模软件 SolidWorks 根据设计尺寸对手柄进行建模。3,利用 ANSYS Workbench 对不同尺寸(1,2,3)进行有限元分析,主要涉及模态分析。以确定不同尺寸手柄的固有频率,分析最佳拥有频率的尺寸参数,为超声波洁牙机手柄的设计提供分析基础。第二章压电现象2.1 引言某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。2.2 压电效应压电效应(英语:Piezoelectricity),是材料中一种机械能与电能互换的现象,此现象最早是 1880 年由皮埃尔居里(Pierre Curie)和雅克居里(Jacques Curie)兄弟发现。压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式,使得材料有应力场与电场耦合的效应。电效应有两种,正压电效应及逆压电效应。压电效应在声音的产生和探测,高电压的生成,电频生成,微平衡,和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。(a)正压电效应示意图(b)逆压电效应示意图图 2-1 压电效应示意图2.2.1 纵向和横向压电效应有两种压电效应是非常常见的,其中一种是电场的方向和形变的方向相重合,这种压电效应如图 2-2(a)所示,称之为纵向压电效应;另一种是电场的方向和形变的方向相垂直,这种压电效应如图 2-2(b)所示,称之为横向压电效应。2.2.2 压电性矿物的压电性是指某些介质的单晶体,当受到定向压力或张力的作用时,能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。若应力方向反转时,则两侧表面上的电荷易号。水晶等单晶体就具有压电性。2.2.3 名词解释(1)压电系数压电系数是压电体把机械能转变为电能或把电能转变成机械能的转换系数引是描述压电晶体在某一方位上的压电效应强弱的一个物理量,常用的为 d 压电常数。压电系数越大,表征材料弹性性能与介电性能之间的藕合越强,材料的机电转换效率就越高。因此,这个参数是选择压电材料的重要依据。(2)介电常数介电常数又叫介质常数,介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示,单位为法/米(F/m)。定义为电位移 D 和电场强度 E 之比,ε=D/Ε。电位移 D 的单位是库/二次方米(C/m^2)。某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0 之比称为该电介质的相对介电常数εr ,εr=ε/ε0 是无量纲的纯数,εr 与电极化率χe 的关系为εr=(1+χ)e。真空介电常数:ε0= 8.×10^-12 F/m介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),如果有高相对介电常数的材料放在电场中,场的强度会在电介质内有可观的下降。2.3 压电效应参数(1)泊松比在材料的比例极限内,由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如,一杆受拉伸时,其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦然),而横向应变 e' 与轴向应变 e 之比称为泊松比 V。材料的泊松比一般通过试验方法测定。泊松比 poisson’s ratio 在材料的比例极限内,由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。注:超过比例极限时,泊松比随应力变化而变化,实际上已不是泊松比。此时若记录泊松比,应指出测应力值。对于各向异性材料,泊松比随施加应力的方向变化。泊松比的值一般都很小。(2)杨氏模量杨氏模数(Young's modulus )是材料力学中的名词。弹性材料承受正向应力时会产生正向应变,在形变量没有超过对应材料的一定弹性限度时,定义正向应力与正向应变的比值为这种材料的杨氏模量。公式记为E其中,E 表示杨氏模数,σ表示正向应力,ε表示正向应变。播放器加载中，请稍候...
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