CN108757407A - 一种驻波型双振子无阀压电泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻波型双振子无阀压电泵及其工作方法，泵包含两个预压力顶板、两个压电振子、两个硅橡胶层和基板，其中，两个硅橡胶层分别放置在基板的两侧；硅橡胶层的外侧分别放置两个压电振子；压电振子的外侧分别放置两个预压力顶板；螺栓将所述结构固定并对压电振子施加一定预压力。硅橡胶层和基板上有相互对应的若干缝隙，缝隙位置与两压电振子驻波的波峰和波谷位置对应。通过激励两个压电振子上的压电陶瓷片，使两个振子分别产生时间上有π/2相位差的驻波，从而使振子与硅橡胶层之间产生特定时序的容积变化和缝隙开、闭，压迫腔体内液体实现定向流动。

Description

一种驻波型双振子无阀压电泵及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电作动器及压电泵领域，尤其涉及一种驻波型双振子无阀压电泵及其工作方法。

背景技术

近年来随着MEMS技术的发展，微型泵技术有着巨大的发展空间，而依靠逆压电效应压电泵又是最成熟、最易实现的微泵技术之一。以往大部分压电泵通过压电薄膜等压电原件的形变，实现腔体体积的变化进而实现压电泵的泵出，流体的流向通过进出口的单向阀或进出口的特定流道形状形成压差来实现。

但是使用单向阀的有阀压电泵由于阀的存在，不易实现小型化。另一方面，使用特定流道形状形成压差的常规无阀压电泵的背压又较小，性能不够好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种驻波型双振子无阀压电泵及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种驻波型双振子无阀压电泵，包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；

所述基板为矩形片状结构，其四边均设有包板，使得所述基板的上侧形成没有上端面的长方体状腔体、下侧形成没有下端面的长方体状腔体；

所述第一、第二硅橡胶层均为矩形片状结构，其中，所述第一硅橡胶层的左侧的短边和两条长边上均设有向上且和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第一硅橡胶层的上侧形成一个上端面和右侧面开口的长方体状的腔体；所述第二硅橡胶层的右侧的短边和两条长边上均设有向下且和第二硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第二硅橡胶层的下侧形成一个下端面和左侧面开口的长方体状的腔体；

所述第一硅橡胶层设置在所述基板的上端面上，其左侧短边和两条长边处均所述基板上端面的腔体过盈配合；所述第二硅橡胶层设置在所述基板的下端面上，其右侧短边和两条长边处均所述基板下端面的腔体过盈配合；

所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，其中，所述第一压电振子的承载板设置在所述第一硅橡胶层上侧的腔体中、其左侧的短边和两条长边分别和所述第一硅橡胶层上侧的腔体对应过盈配合，所述第一压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的上表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第二压电振子的承载板设置在所述第二硅橡胶层下侧的腔体中、其右侧的短边和两条长边分别所述第二硅橡胶层下侧的腔体对应过盈配合，所述第二压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的下表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；

所述第一预压力顶板设置在所述第一压电振子上，其下端面设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述第一预压力顶板的压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第二预压力顶板设置在所述第二压电振子下，其上端面设有若干用于压住所述第二压电振子承载板的长条状压块，所述第二预压力顶板的压块均设置在所述第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第一预压力顶板两侧侧板上的固定板分别和所述第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固定相连；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述第一压电振子产生驻波和所述第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长，使得第一压电振子承载板的右侧短边和基板上端面右侧的包板之间形成第一进出口，第二压电振子承载板的左侧短边和基板下端面左侧的包板之间形成第二进出口。

作为本发明一种驻波型双振子无阀压电泵进一步的优化方案，所述基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱；

所述第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和所述基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔；

所述第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和所述基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

作为本发明一种驻波型双振子无阀压电泵进一步的优化方案，所述基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽；

所述第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和所述基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止所述基板相对第一、第二预压力顶板移动。

本发明还公开了一种基于该驻波型双振子无阀压电泵的控制方法，包含如下步骤：

在所述第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭；腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口；

通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 压电振子振幅小，可实现极小流量泵出，应用于精密计量领域；

2. 无传统单向阀，结构简单，同时又有较好的背压，断电自锁；

3. 开放式结构能够应用于深海作业领域。

附图说明

图1为本发明驻波型双振子无阀压电泵结构正面的等轴测视图；

图2为本发明正面的结构爆炸图；

图3为本发明正面的剖视图；

图4为基板的结构示意图；

图5为硅橡胶层的结构示意图；

图6为压电振子的结构示意图；

图7为预压力顶板的结构示意图；

图8为工作部分的工作原理图。

图中，1-基板；1-1-定位柱；1-2-基板上的缝隙；1-3-包板；1-4-基板长边处包板外壁上的凹槽；2-第一硅橡胶层；2-1-第一硅橡胶层上的定位孔；2-2-第一硅橡胶层上的缝隙；2-3-硅橡胶片；3-第一压电振子；3-1-第一压电振子承载板上的定位孔；3-2-压电陶瓷片；4-第二预压力顶板；4-1-第二预压力顶板两侧侧板上的凸起；4-2-螺栓孔；4-3-压块；5-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明一种驻波型双振子无阀压电泵包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子以及第一至第二预压力顶板，如图1、2、3所示。

基板为矩形片状结构，其四边均设有包板，使得基板的上侧形成没有上端面的长方体状腔体、下侧形成没有下端面的长方体状腔体，如图4所示。

第一、第二硅橡胶层均为矩形片状结构，其中，第一硅橡胶层的左侧的短边和两条长边上均设有向上且和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得第一硅橡胶层的上侧形成一个上端面和右侧面开口的长方体状的腔体；第二硅橡胶层的右侧的短边和两条长边上均设有向下且和第二硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得第二硅橡胶层的下侧形成一个下端面和左侧面开口的长方体状的腔体，如图5所示。

第一硅橡胶层设置在基板的上端面上，其左侧短边和两条长边处均基板上端面的腔体过盈配合；第二硅橡胶层设置在所述基板的下端面上，其右侧短边和两条长边处均所述基板下端面的腔体过盈配合。

第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，如图6所示。其中，第一压电振子的承载板设在第一硅橡胶层上侧的腔体中、其左侧的短边和两条长边分别和第一硅橡胶层上侧的腔体对应过盈配合，第一压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的上表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；第二压电振子的承载板设在第二硅橡胶层下侧的腔体中、其右侧的短边和两条长边分别和第二硅橡胶层下侧的腔体对应过盈配合，第二压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的下表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态。

本发明中，基板和第一、第二硅橡胶层之间的过盈配合、第一压电振子和第一硅橡胶层之间的过盈配合、以及第二压电振子和第二硅橡胶层之间的过盈配合，都是为了密封。

预压力顶板结构如图7所示。第一预压力顶板设置在第一压电振子上，其下端面设有若干用于压住第一压电振子承载板的长条状压块，第一预压力顶板的压块均设置在第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板。

第二预压力顶板设置在第二压电振子下，其上端面设有若干用于压住第二压电振子承载板的长条状压块，第二预压力顶板的压块均设置在第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板。

第一预压力顶板两侧侧板上的固定板分别和第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固定相连。

基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙，基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处也均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙，如图4，5所示。

第一压电振子产生驻波和第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长，使得第一压电振子承载板的右侧短边和基板上端面右侧的包板之间形成第一进出口，第二压电振子承载板的左侧短边和基板下端面左侧的包板之间形成第二进出口。

基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱。

如图2所示，第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽，第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止基板相对第一、第二预压力顶板移动。

本发明工作原理是：在第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭。腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口。

结合图8对工作原理进行具体说明：在第一压电振子与第二压电振子的一个振动周期内，将第一压电振子靠近入口一端位置为位移最大的时刻，定义为两压电振子运动周期的0时刻，此时第二压电振子无形变；此后，第一压电振子形变变小，第二压电振子开始形变，入口处缝隙A打开，液体进入空腔a；t=T/4时，第一压电振子无形变，第二压电振子形变达到最大值，此时空腔a内液体体积达到最大值；此后，第一压电振子的形变使缝隙A和缝隙B同时打开，空腔a体积变小，空腔b体积变大，液体经过缝隙A和缝隙B从空腔a进入空腔b；t=T/2时，第二压电振子无形变，第一压电振子形变达到最大值, 此时空腔b内液体体积达到最大值；此后，第二压电振子的形变使缝隙B和缝隙C打开，同时缝隙A处于关闭状态，空腔b体积变小，空腔c体积变大，液体经过缝隙B和缝隙C从空腔b进入空腔c；t=3T/4时，第一压电振子无形变，第二压电振子形变达到最大值，此时空腔c内液体体积达到最大值；此后，第一压电振子的形变使缝隙C和缝隙D打开，同时缝隙B处于关闭状态，空腔c体积变小，空腔d体积变大，液体经过缝隙C和缝隙D从空腔c进入空腔d；t=T时，第二压电振子无形变，第一压电振子形变达到最大值, 此时空腔d内液体体积达到最大值；此时，液体已经从入口处沿单一方向运动到空腔d，继续第一压电振子与第二压电振子的振动周期，液体将继续运动，直至从出口处流出。

通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种驻波型双振子无阀压电泵，其特征在于，包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；

所述基板为矩形片状结构，其四边均设有包板，使得所述基板的上侧形成没有上端面的长方体状腔体、下侧形成没有下端面的长方体状腔体；

所述第一、第二硅橡胶层均为矩形片状结构，其中，所述第一硅橡胶层的左侧的短边和两条长边上均设有向上且和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第一硅橡胶层的上侧形成一个上端面和右侧面开口的长方体状的腔体；所述第二硅橡胶层的右侧的短边和两条长边上均设有向下且和第二硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第二硅橡胶层的下侧形成一个下端面和左侧面开口的长方体状的腔体；

所述第一硅橡胶层设置在所述基板的上端面上，其左侧短边和两条长边处均所述基板上端面的腔体过盈配合；所述第二硅橡胶层设置在所述基板的下端面上，其右侧短边和两条长边处均所述基板下端面的腔体过盈配合；

所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，其中，所述第一压电振子的承载板设置在所述第一硅橡胶层上侧的腔体中、其左侧的短边和两条长边分别和所述第一硅橡胶层上侧的腔体对应过盈配合，所述第一压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的上表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第二压电振子的承载板设置在所述第二硅橡胶层下侧的腔体中、其右侧的短边和两条长边分别所述第二硅橡胶层下侧的腔体对应过盈配合，所述第二压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的下表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；

所述第一预压力顶板设置在所述第一压电振子上，其下端面设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述第一预压力顶板的压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第二预压力顶板设置在所述第二压电振子下，其上端面设有若干用于压住所述第二压电振子承载板的长条状压块，所述第二预压力顶板的压块均设置在所述第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第一预压力顶板两侧侧板上的固定板分别和所述第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固定相连；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述第一压电振子产生驻波和所述第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长，使得第一压电振子承载板的右侧短边和基板上端面右侧的包板之间形成第一进出口，第二压电振子承载板的左侧短边和基板下端面左侧的包板之间形成第二进出口。

2.根据权利要求1所述的驻波型双振子无阀压电泵，其特征在于，所述基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱；

所述第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和所述基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔；

所述第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和所述基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

3.根据权利要求1所述的驻波型双振子无阀压电泵，其特征在于，所述基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽；

所述第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和所述基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止所述基板相对第一、第二预压力顶板移动。

4.基于权利要求1所述的驻波型双振子无阀压电泵的控制方法，其特征在于，包含如下步骤：

在所述第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭；腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口；

通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向。