CN120312563A - 一种小型谐振式压电堆栈泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型谐振式压电堆栈泵，包括隔膜泵和压电驱动机构。压电驱动机构包括反相放大杆、压电堆栈和弹性梁。反相放大杆由固定梁、竖梁、驱动臂、柔性铰链、固定平板和凸台组成；压电堆栈通过固定平板与固定梁夹紧固定于反向放大杆的动力侧；隔膜泵包括泵腔、单向阀及进出口流道三个部分，并通过弹性梁和螺钉固定在压电驱动机构驱动臂的阻力侧。本发明通过采用弹性梁的方式，可以实现压电堆栈在较低频率范围的谐振驱动，极大提高了压电堆栈的驱动位移；且压电驱动机构的工作模态为一阶谐振模态，具有机械品质因子高、驱动性能高、结构小型化、工作可靠性好的优势。

Description

一种小型谐振式压电堆栈泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，具体为一种小型谐振式压电堆栈泵。

背景技术

压电泵是一种常用的微型泵，它通过压电材料的逆压电效应使压电振子产生机械变形，驱动泵腔使其体积发生变化，从而实现流体泵送的功能。压电泵具有结构紧凑，功率密度高，响应速度快，控制精度高，无电磁干扰等优点，在航空航天、机器人系统、汽车、微机电工程、化学分析、生物医疗等领域都显示出广阔的应用前景。

根据驱动器的类型可将压电泵分为晶片驱动式压电泵和堆栈驱动式压电泵。晶片驱动式压电泵常采用一体化的集成结构，即将压电晶片驱动器与隔膜泵腔固定连接，形成整体式泵体，其具有体积紧凑，成本低，适用于微型化应用场景的特点。然而，由于压电晶片四周固定，其变形幅度受到机械约束，该类压电泵输出流量和背压有限，且负载敏感度高。

堆栈驱动式压电泵基于压电堆栈驱动器的输出力大、响应速度快、功率密度高的特性，因而具有高输出性能的潜力。但是压电堆栈的输出位移小、刚度大、谐振频率高，无法有效匹配隔膜泵的输入阻抗，常需配合位移放大机构或谐振驱动模式以克服其固有输出位移不足的问题。而位移放大机构的引入又会导致压电堆栈泵整体结构复杂度增加，难以满足小型化需求；且位移放大式压电堆栈泵的谐振频率受位移放大倍数、结构尺寸、材料参数的耦合影响，设计困难。

发明内容

为了解决压电堆栈泵中位移放大机构的加入而难以小型化，和位移放大式压电堆栈泵的谐振频率设计困难的问题，本发明提供一种小型谐振式压电堆栈泵。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：包括压电驱动机构和隔膜泵；

所述压电驱动机构包括反相放大杆、压电堆栈、弹性梁，所述反相放大杆为“工”字型结构，包括竖梁、连接于竖梁一端的固定梁、连接于竖梁另一端的驱动臂；

所述压电堆栈的一端和隔膜泵的泵体分别位于竖梁的两侧并与固定梁固定连接，驱动臂的动力端通过柔性铰链连接有固定平板，压电堆栈夹持于固定平板和固定梁之间，驱动臂的阻力端可拆卸地连接有弹性梁，弹性梁的另一端通过连接器与隔膜泵的泵腔隔膜连接；

当给压电堆栈施加带偏置电压的交流电时，压电堆栈沿高度方向产生往复伸缩变形，通过驱动臂驱动弹性梁产生往复摆动，使泵腔隔膜产生弹性振动变形；

当交流电源的激励频率为所述压电驱动机构的一阶谐振频率时，泵腔隔膜的振幅达到最大值。

进一步的，所述竖梁的端部与固定梁/驱动臂的交界处开设有应力槽。

进一步的，所述弹性梁的中部为实心结构或空心结构或连续回折结构。

进一步的，所述弹性梁与驱动臂的阻力端之间设置有垫块。

进一步的，所述压电堆栈的至少一端设置有厚度可调的氧化铝垫片。

进一步的，所述反相放大杆采用金属材料制成，且表面设置有绝缘层。

进一步的，驱动臂的阻力端的内部开设有腰型孔，末端开设有螺纹孔，两侧边缘开设有U型槽口。

进一步的，所述压电堆栈为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化，压电堆栈的侧面通过电极引线连接有带偏置电压的交流电源。

进一步的，所述压电堆栈的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。

进一步的，所腔隔膜泵为层叠式隔膜泵，包括由上而下依次设置的泵腔部分、单向阀部分和进出口流道部分，相邻两部分之间密封连接，所述连接器位于泵腔部分内，所述泵腔隔膜的中心部夹持于连接器内。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出一种小型谐振式压电堆栈泵，通过压电堆栈驱动器驱动泵腔隔膜振动，进而实现对隔膜泵中流体的泵送。压电驱动机构的固有频率低至隔膜泵的工作频率区间内，能够实现泵腔隔膜与压电驱动机构的阻抗特性的匹配。因此可以在工作时通过给予与压电驱动机构的固有频率基本相同的外部激励实现驱动系统大位移振动，使隔膜泵正常泵送流体。由于工作状态下系统运行在固有频率下，具有最大位移，等效于起到了位移放大效果，因此可以满足泵腔隔膜的工作行程要求。

(2)本发明的压电驱动机构通过串联弹性梁的方式，可以实现压电堆栈驱动器在较低频率范围的谐振驱动，极大提高了驱动位移；且压电驱动机构的工作模态为一阶谐振模态，具有机械品质因子高、驱动性能高、工作可靠性好的优势。

(3)本发明的压电驱动机构中弹性梁的刚度可以通过改变梁的厚度，采用折叠梁等不同形状以及加工材料等进行设计调整，进而可以大幅度调节压电驱动机构的一阶谐振频率，以便于和隔膜泵的最佳工作频率匹配，使压电泵的工作性能达到最佳。

(4)本发明的压电驱动机构采用反相放大杆以及弹性梁，结构紧凑、易于设计和加工，采用可拆卸结构设计，具有可循环利用的压电驱动机构和可拆卸的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本。

附图说明

图1是本发明的整体立体结构示意图。

图2是所述整体结构的剖面示意图。

图3是所述压电驱动机构的结构示意图。

图4是所述隔膜泵的爆炸结构图。

图5是当驱动电源的激励电压上升时，压电驱动机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图6是当驱动电源的激励电压下降时，压电驱动机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图7是当驱动电源的激励频率接近压电驱动机构的一阶弯曲谐振频率，且激励电压上升时，压电驱动机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图8是当驱动电源的激励频率接近压电驱动机构的一阶弯曲谐振频率，且激励电压下降时，压电驱动机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图9是压电驱动机构采用三种不同结构形式的弹性梁时的频率响应曲线。

1、压电驱动机构；2、凸台；3、竖梁；4、反相放大杆；5、隔膜泵；6、驱动臂；7、柔性铰链；8、固定平板；9、压电堆栈；10、氧化铝垫片；11、垫块；12、弹性梁；13、第一螺钉；14、连接器；15、泵腔隔膜；16、泵腔隔膜压板；17、密封圈；18、上单向阀板；19、悬臂梁阀；20、下单向阀板；21、进出口流道板；22、第二螺钉；23、第三螺钉；24、交流电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1至图3，一种小型谐振式压电堆栈泵包括压电驱动机构1和隔膜泵5。压电驱动机构1包括压电堆栈9、反相放大杆4和一根弹性梁12。反相放大杆4为“工”字型结构，材料为金属，且表面设置有绝缘层，如表面涂覆绝缘漆或表面做阳极氧化处理以绝缘。腰部为竖梁3，竖梁3的底端垂直连接着一根固定梁4，竖梁3的顶端垂直连接着一根驱动臂6。其中，竖梁3底端与固定梁4的交界处、竖梁3的顶端与驱动臂6的交界处开设有应力槽，使得驱动臂6在竖梁3的顶端构成杠杆结构，驱动臂6在竖梁3左侧的部分为动力臂，在竖梁3右侧的部分为阻力臂。当动力臂端被施加转动力矩后，阻力臂端相应地上/下摆动，从而实现动力的反相输出以及位移的放大、等量或缩小输出。固定梁4的两侧端部共设有四个通孔，用于将本压电堆栈泵整体连接到外部固定装置上。

驱动臂的下方设置有与其平行设置的固定平板8，且固定板8的顶面中部与驱动臂的底面之间通过柔性铰链7相连接，如此当固定平板8垂直向上/下移动时，可通过柔性铰链7推动驱动臂围绕竖梁3的顶端(杠杆结构的支点)同步地上/下摆动，柔性铰链7可补偿摆动过程中连接位置的水平方向位移。

本实施例中，压电堆栈9为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化。压电堆栈的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。压电堆栈9的侧面通过电极引线连接着带偏置电压U1的交流电源24，通过交流电源24对压电堆栈9施加一定频率的交流电压，压电堆栈9沿高度方向产生往复伸缩变形，从而驱动固定平板8上下往复运动，为驱动臂6的动力臂提供动力。固定梁4的顶面位于动力臂下方的一侧上设有两个与竖梁3的侧面相平行的凸台2，压电堆栈9的底端固定嵌设在两个凸台2之间，以限制压电堆栈9左右方向的水平位移，压电堆栈9在垂直方向上则夹持于固定平板8和固定梁4之间，从而使压电堆栈9固定安装于反相放大杆4内，且其高度方向平行于直梁3的垂向高度方向。优选的，压电堆栈的至少一端设置有厚度可调的氧化铝垫片10，以用于调节压电堆栈安装时的预紧力。本实施例中，压电堆栈9的底端和顶端各设置一个氧化铝垫片10。

驱动臂的末端开设有一个螺纹孔，其底部螺纹连接有第一螺钉13。弹性梁12为金属材质的长条形板状结构，其一端通过第一螺钉13固定连接在驱动臂的末端，使弹性梁12与阻力臂平行设置且其另一端靠近竖梁3所在侧。如此，使得弹性梁12完全位于阻力臂的正下方，使整体结构更加紧凑。优选的，弹性梁12与驱动臂的阻力端之间设置有垫块11，用于设定弹性梁12与阻力臂之间的间距，使弹性梁12的另一端具备充足的变形摆动空间。

参见图4，隔膜泵5为容积可变的层叠式隔膜泵，其整体结构分为三个部分，由上而下依次为泵腔部分、单向阀部分和进出口流道部分。具体的，泵腔部分包括上压板和位于上压板下方的泵腔隔膜压板16，上压板和泵腔隔膜压板16的中心位置均开设有圆形通孔，上压板内的圆形通孔用于容纳连接器14的上半部分，泵腔隔膜压板16内中心孔作为泵腔，用于容纳连接器14的下半部分。上压板和泵腔隔膜压板16之间夹持有可以变形振动的泵腔隔膜15(本实施例中采用kapton薄膜)，泵腔隔膜15的中心部位夹持于连接器14的上半部分和下半部分之间。当连接器14上下往复移动时，泵腔隔膜15的中部同步上下往复移动，由其与下方各个壳体形成的空间容积周期性地变化，实现泵腔内正负压状态的循环切换。

单向阀部分包括位于泵腔隔膜压板16下方的上单向阀板18、位于上单向阀板18下方的下单向阀板20以及位于上单向阀板18和下单向阀板20之间的悬臂梁阀19。上单向阀板18上开设有与泵腔连通且位于负压阀片上方的第一方形通孔和与泵腔连通且位于正压阀片上方的第一圆形通孔，下单向阀板20上开设有位于正压阀片下方的第二圆形通孔和位于负压阀片下方的第二方形通孔，使得泵腔与单向阀部分内的两个单向通道形成完整的单向通路。

进出口流道部分包括位于下单向阀板20下方的进出口流道板21和位于进出口流道板21下方的底座板。进出口流道板21的中部开设有与第二圆形通孔和第二方形通孔分别连通的进流通道和出流通道，侧壁分别设置有与进流通道贯通的进流螺纹孔和与出流通道贯通的出流螺纹孔，分别用于连接外部的进流管口和出流管口。

其中，各个板件均为相同尺寸的方形板结构，使得上下叠加后形成方形柱体结构，每个方形板结构的四角开设螺栓过孔，固定梁4的顶面上开设有与螺栓过孔相组配的螺纹孔，四个第二螺钉22贯穿螺栓过孔后与螺纹孔连接，从而将各个叠加的方形板固定连接在固定梁4上。各功能层之间通过双重密封设计保障气密性。具体的，泵腔隔膜压板16的底面上和进出口流道板21的顶面上分别开设有环形的嵌槽，嵌槽内设置有密封圈17，当三个部分通过第二螺钉22紧固连接后，两个密封圈17受压变形而将相邻两个部分密封。进一步的，各个部分的内部板块之间的边缘部位设置有密封薄膜，进出口流道板21与底座板之间设置有密封膜。

隔膜泵5的顶部的连接器14的上部分通过第三螺钉23与弹性梁12的内侧端固定连接，使得隔膜泵5固定安装于反相放大杆4的内部右侧。为减轻阻力臂的质量，同时便于隔膜泵5在反相放大杆4内的安装操作，驱动臂的阻力端的内部开设有腰型孔，两侧边缘开设有U型槽口。腰型孔用于柔性梁12和连接器14之间连接所用的第三螺钉23的安装和拆卸，U型孔用于隔膜泵5与固定梁4之间连接所用的第二螺钉22螺栓的安装和拆卸。

压电堆栈9在额定的交流激励下仅能产生相对于自身高度千分之一的振动位移，这一量级无法直接驱动泵腔隔膜15的振动。本发明通过引入弹性梁12结构，系统刚度显著降低，振动系统的一阶固有频率被大幅调整至隔膜泵5的工作频段。当交流电源激励频率匹配或接近该一阶固有频率时，系统产生谐振响应，压电驱动机构和隔膜泵5都在谐振状态下工作，振幅达到最大值，使泵腔隔膜15获得最大位移。这种设计突破既解决了现有技术中存在的驱动频率匹配问题，又通过谐振放大效应将原本无效的微米级位移转化为可驱动泵腔隔膜15的有效机械运动。

本发明压电堆栈泵的工作原理具体如下：

参见图2、图5和图6，当给压电堆栈9施加带偏置电压的交流电源24时，压电堆栈9沿高度方向产生往复伸缩变形。该变形通过固定平板8和柔性铰链7传递，驱动与之连接的动力臂及弹性梁12发生往复摆动。由于隔膜泵5的底部固定在反相放大杆4内、顶部内的连接器14与弹性梁12相连接，从而驱腔隔膜泵5连续泵送流体；弹性梁12的摆动可以通过连接器14传递至泵腔隔膜15，使泵腔隔膜15产生弹性振动变形，进而使泵腔的密封体积周期性变化：当弹性梁12拉动连接器14使泵腔隔膜15向泵腔外部变形，泵腔的密封体积变大、压强变小，在内外压差的作用下，进口单向阀(负压阀片)开启，出口单向阀(正压阀片)关闭，流体从进流通道经进口单向阀流入泵腔，完成流体的吸入过程；当弹性振子推动连接器14使泵腔隔膜15向泵腔内部变形，泵腔的密封体积变小、压强变大，在内外压差的作用下，进口单向阀关闭，出口单向阀开启，流体从泵腔经出口单向阀流出至出流通道，完成流体的排出过程。

参见图5，当交流电源24的激励电压U1上升时，压电堆栈9沿高度方向伸长，阻力臂靠近隔膜泵5摆动，弹性梁12推动连接器14向泵腔的内部移动，此时隔膜泵5处于排出流体过程。

参见图6，当交流电源24的激励电压U1下降时，压电堆栈9沿高度方向缩短，阻力臂远离隔膜泵5摆动，弹性梁12拉动连接器14向泵腔的外部移动，此时隔膜泵5处于吸入流体过程。

参见图7和图8，当带偏置电压的交流电源24的激励频率接近压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率时，即整个压电驱动机构在其一阶反相弯曲谐振模态工作时，压电驱动机构产生一阶弯曲变形，同时弹性梁12在压电堆栈9的作用下做往复摆动，从而可以增大与其连接的连接器14的上下移动幅度，进而提升泵腔隔膜15变形幅度，最终提高隔膜泵5的输出性能。

通过调节弹性梁12的厚度和形状实现机械阻抗匹配。参见图9，展示了弹性梁12的三种结构实例示意图，从右到左，弹性梁12的中部为实心结构、空心结构和连续回折结构。该振子系统采用反相放大杆4固定弹性梁12的设计，可以通过调整所述弹性梁12的结构，使压电驱动机构的谐振频率与腔隔膜泵5中所使用的单向阀的谐振频率一致。压电堆栈泵在该谐振频率工作时，压电驱动机构和单向阀都达到最佳工作状态。具体而言：(a)第一种实例采用直梁结构(如图9中最右侧位置显示的结构)，弹性梁12的中部为实心结构，通过改变梁体厚度直接调控压电驱动器的谐振频率；(b)第二种实例在弹性梁12中部设计镂空孔(如图9中中间位置显示的结构)，通过调整孔径尺寸实现刚度与谐振频率的协同调节，同时显著降低驱动臂对振子运动的干涉；(c)第三种实例采用折叠梁结构作为弹性梁12的中间部分(如图9中最左侧位置显示的结构)，该设计通过梁体折叠大幅降低系统刚度和谐振频率，从而优化驱动机构的动态特性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：包括压电驱动机构和隔膜泵；

所述压电驱动机构包括反相放大杆、压电堆栈、弹性梁，所述反相放大杆为“工”字型结构，包括竖梁、连接于竖梁一端的固定梁、连接于竖梁另一端的驱动臂；

所述压电堆栈的一端和隔膜泵的泵体分别位于竖梁的两侧并与固定梁固定连接，驱动臂的动力端通过柔性铰链连接有固定平板，压电堆栈夹持于固定平板和固定梁之间，驱动臂的阻力端可拆卸地连接有弹性梁，弹性梁的另一端通过连接器与隔膜泵的泵腔隔膜连接；

当给压电堆栈施加带偏置电压的交流电时，压电堆栈沿高度方向产生往复伸缩变形，通过驱动臂驱动弹性梁产生往复摆动，使泵腔隔膜产生弹性振动变形；

当交流电源的激励频率为所述压电驱动机构的一阶谐振频率时，泵腔隔膜的振幅达到最大值。

2.根据权利要求1所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述竖梁的端部与固定梁/驱动臂的交界处开设有应力槽。

3.根据权利要求1所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述弹性梁的中部为实心结构或空心结构或连续回折结构。

4.根据权利要求3所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述弹性梁与驱动臂的阻力端之间设置有垫块。

5.根据权利要求1所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈的至少一端设置有厚度可调的氧化铝垫片。

6.根据权利要求1所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述反相放大杆采用金属材料制成，且表面设置有绝缘层。

7.根据权利要求1所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：驱动臂的阻力端的内部开设有腰型孔，末端开设有螺纹孔，两侧边缘开设有U型槽口。

8.根据权利要求1至7任一项所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化，压电堆栈的侧面通过电极引线连接有带偏置电压的交流电源。

9.根据权利要求8所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。

10.根据权利要求1至7任一项所述的小型谐振式压电堆栈泵，其特征在于：所腔隔膜泵为层叠式隔膜泵，包括由上而下依次设置的泵腔部分、单向阀部分和进出口流道部分，相邻两部分之间密封连接，所述连接器位于泵腔部分内，所述泵腔隔膜的中心部夹持于连接器内。