一種聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面的成形工裝及成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲換能器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面的成形工裝及成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲學(xué)鑷子簡稱聲學(xué)鑷子，是近年來高頻超聲換能器應(yīng)用研宄的熱點之一。與光學(xué)鑷子(簡稱光鑷)原理類似，聲學(xué)鑷子是利用聲學(xué)輻射力，通過發(fā)射高度聚焦的超聲束，來對微小物體產(chǎn)生吸引力，從而實現(xiàn)對微小物體的捕獲與操縱。成功自如地捕獲和操縱微小物體對生物細胞研宄意義重大。光鑷的不足之處在于:1)能量較高，會引起被捕獲物體局部過熱，從而造成細胞死亡；2)力量較小，難以捕獲和移動幾十微米或者上百微米的生物細胞。聲學(xué)鑷子與光鑷相比，能量較小，力量較大，剛好能彌補光鑷的不足，所以在生物細胞的研宄中應(yīng)用前景廣闊。
[0003]高度聚焦的超聲換能器是聲學(xué)鑷子的基礎(chǔ)，超聲換能器工作頻率越高，發(fā)出超聲波波長越短，越適合微小物體的捕獲和操縱。通常f# ~ I (f#為壓電材料尺寸與焦距比值)。超聲聚焦的方法主要有裝配聲透鏡和壓力聚焦兩種，裝配聲透鏡很難實現(xiàn)f# ~ 1，所以壓力聚焦是一種不錯的選擇。壓力聚焦的原理是利用不銹鋼壓力球?qū)Τ晸Q能器表面壓力作用，使壓電片形成聚焦球面，以達到聚焦的目的。整個壓力聚焦過程中，壓力球是否處于超聲換能器中心是最終結(jié)果能否得到均勻聲場并實現(xiàn)微小物體的捕獲和操縱的關(guān)鍵。
[0004]現(xiàn)有的壓力聚焦還在探索之中，存在很多問題，如難以對準，對很多材料來說效果很差，難以實現(xiàn)f#值接近于I。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面的成形工裝及成形方法，其工裝結(jié)構(gòu)簡單，容易在超聲換能器的壓電片上形成聚焦球面，其方法形成的聚焦球面容易使超聲換能器實現(xiàn)準確的壓力聚集。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面的成形工裝，包括下座，所述下座向上安裝有多根導(dǎo)柱，有上座活動穿裝在該多根導(dǎo)柱上，所述導(dǎo)柱上螺紋連接有用于向下推動上座移動的旋鈕，所述下座向上安裝有圓柱臺和導(dǎo)向座，圓柱臺和導(dǎo)向座均位于上座和下座之間，圓柱臺的軸線豎直設(shè)置，圓柱臺的頂端設(shè)置有與超聲換能器的壓電片的半徑一致的球形槽，球形槽處放置有與球形槽的半徑一致的壓力球，壓力球的上端露出球形槽，所述導(dǎo)向座上設(shè)置有通孔，所述通孔包括相互連通的柱臺導(dǎo)向圓孔和換能器導(dǎo)向圓孔，導(dǎo)向座在柱臺導(dǎo)向圓孔處的內(nèi)壁與圓柱臺的外側(cè)接觸，所述換能器導(dǎo)向圓孔用于使超聲換能器的壓電片并貼著導(dǎo)向座在換能器導(dǎo)向圓孔處的內(nèi)壁移動以接觸到壓力球，所述換能器導(dǎo)向圓孔的軸線穿過壓力球的球心。
[0007]優(yōu)選地，所述下座的頂端安裝有支座，所述圓柱臺通過支座安裝在下座上。
[0008]優(yōu)選地，所述柱臺導(dǎo)向圓孔和換能器導(dǎo)向圓孔同軸。
[0009]優(yōu)選地，所述柱臺導(dǎo)向圓孔的直徑大于換能器導(dǎo)向圓孔的直徑。
[0010]按照本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種利用成形工裝進行聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面成形的方法，包括以下步驟:
[0011]I)將超聲換能器的壓電片貼著導(dǎo)向座在換能器導(dǎo)向圓孔處的內(nèi)壁向下移動，直至壓電片接觸壓力球，超聲換能器的壓電片的外徑與換能器導(dǎo)向圓孔的直徑相等；
[0012]2)將工裝和超聲換能器一起放入恒溫烘箱中加熱，然后取出并擰動旋鈕，使旋鈕向下推動上座，上座帶動超聲換能器向下移動，壓力球使超聲換能器的壓電片產(chǎn)生變形；
[0013]3)重復(fù)步驟2)，直至超聲換能器的壓電片達到變形極限，然后從工裝上取出超聲換能器。
[0014]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:本發(fā)明采用同軸的原理，其成形裝置結(jié)構(gòu)簡單。相比于其他譬如裝配聲透鏡(lens)工藝方法，本成形方法更加簡單，比采用lens的工藝方法來成形聚焦球面更便宜，本方法可以取代裝配聲透鏡(lens)工藝方法。另外，本成形方法能保證小球與超聲換能器中心能夠準確對準，容易在超聲換能器的壓電片正中心上形成聚焦球面；通過可控的壓力裝置，使聚焦球面的彎曲程度達到較大值，使得F#更接近于I?？傊?，這種方法簡單，容易實現(xiàn)，形成的聚焦球面容易使超聲換能器壓電片中心實現(xiàn)準確的壓力聚焦。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中成形工裝工作時結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是圖1的剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0018]如圖1、圖2所示，一種聲學(xué)鑷子壓力聚焦球面的成形工裝，包括下座1，所述下座I向上安裝有多根導(dǎo)柱2，有上座3活動穿裝在該多根導(dǎo)柱2上，所述導(dǎo)柱2上螺紋連接有用于向下推動上座3移動的旋鈕4，所述下座I向上安裝有圓柱臺5和導(dǎo)向座6，圓柱臺5和導(dǎo)向座6均位于上座3和下座I之間，圓柱臺5的軸線豎直設(shè)置，圓柱臺5的頂端設(shè)置有與超聲換能器7的壓電片的半徑一致的球形槽，球形槽處放置有與球形槽的半徑一致的壓力球8，壓力球8的上端露出球形槽，壓力球8放置球形槽中，無論施加多大壓力，壓力球8都不會移動。所述導(dǎo)向座6上設(shè)置有通孔，所述通孔包括相互連通的柱臺導(dǎo)向圓孔61和換能器導(dǎo)向圓孔62，所述柱臺導(dǎo)向圓孔61和換能器導(dǎo)向圓孔62同軸。導(dǎo)向座6在柱臺導(dǎo)向圓孔61處的內(nèi)壁與圓柱臺5的外側(cè)接觸，所述換能器導(dǎo)向圓孔62用于使超聲換能器7的壓電片的整個外側(cè)壁貼著導(dǎo)向座6在換能器導(dǎo)向圓孔62處的內(nèi)壁移動以接觸到壓力球8，所述換能器導(dǎo)向圓孔62的軸線穿過壓力球8的球心，因此，壓電片的軸線與換能器導(dǎo)向圓孔62的軸線同軸，二者的軸線均穿過壓力球8的球心。優(yōu)選地，所述柱臺導(dǎo)向圓孔61的直徑大于換能器導(dǎo)向圓孔62的直徑，這樣圓柱臺5可以更好地固定住導(dǎo)向座6，使導(dǎo)向座6不容易晃動，不會影響到超聲換能器7上的聚焦球面的成形。其中，柱臺導(dǎo)向圓孔61內(nèi)套裝上圓柱臺5以后剩下空間的軸向長度越小越好，換能器