CN104963834A - 一种压电泵的摆动振子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体以及固定连接在基体的压电陶瓷片，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。因为本发明运用仿生学原理，将固支件设置在摆动振子的质心附近，在外部电场激励的作用下，能够获得更大的端部摆幅。外加电场方向和极化方向垂直配置，使压电陶瓷片直接产生弯曲，相比现有技术的方案提高了能量转换效率，提高了泵送流体的能力。
Description
技术领域
本发明属于流体机械领域，具体涉及一种仿生型无阀压电泵泵用振子，特别涉及一种仿鱼摆动振子。
背景技术
根据泵阀的有无将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵的工作原理可简要叙述为，压电振子的往复振动引起泵腔容积的周期性变化，而容积的变化又引起泵腔内压力的变化，控制着泵阀的开启和关闭。由于传统有阀压电泵压电振子的振幅很小，限制了泵的流量和所能承受的背压。中国专利申请CN101608611A提出了一种利用压电叠堆驱动的大流量有阀压电泵，但这种压电泵仍然存在着泵阀响应慢、泵阀频繁开关存在摩擦磨损、结构复杂、寿命低等问题。中国专利CN201010175866.8利用压电叠堆的伸缩变形对摆动振子进行激励，通过二阶杠杆对摆动振子的振幅进行放大，在振子的端部粘贴柔性尾鳍形成流体驱动功能。美国专利20070090726A1将压电材料和基体材料做成一体，通过压电材料的伸缩效应引起压电材料的弯曲摆动，驱动流体（空气）流动，形成风扇效应。美国专利US20090026881Al将传感器集成于振子中，以便控制振动的幅度，获得合适的风量。美国专利US20150023819A1将三个压电双晶片并排放置，中间的压电双晶片和两边的摆动相位相反，以提高其驱动空气的能力
中国专利CN201010175866.8利用压电叠堆的伸缩变形驱动摆动振子振动，结构复杂，不利于结构的微小型化；美国专利20070090726A1、US20090026881Al、US20150023819A1利用压电材料的伸缩变形转换为弯曲变形而产生摆动，结构简单、易于微小型化，但存在如下问题：（一）振子都是采用一端固支的方式（如图1所示），工作频率较高，产生的噪音较大；（二）压电材料的变形转换为摆动振子摆动要经过伸缩到弯曲变形的转换（如图2所示），转换过程中有能量的损耗，降低了机电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种工作频率低，端部摆动幅度大，泵送流体能力强的压电泵的摆动振子
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体以及固定连接在基体上下表面的两个压电陶瓷片，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
作为优选方案：两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向垂直，且两个压电陶瓷片的极化方向相反；两个压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，两个压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与基体电连接。
作为优选方案：所述的固支件为弹性的支撑杆。
作为另一种优选方案：两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向相同，且两个压电陶瓷片的极化方向相同；两个压电陶瓷片平行于厚度方向的两个相对表面为电场连接面。
作为优选方案：所述的固支件为扭簧。
作为优选方案：所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：通过观察鱼的游动行为可以发现，摆动幅度最小的部位是在其质心处，因此本发明运用用仿生学原理，将固支件设置在摆动振子的质心附近，在外部电场激励的作用下，能够获得更大的端部摆幅，这样可相应地降低工作频率，减小高频振动噪声；将外加电场方向和极化方向垂直配置，使压电陶瓷片直接产生弯曲，替代现有技术中电场方向与极化方向相同时压电陶瓷片经过伸缩到弯曲变形的转换，故相比现有技术的方案提高了能量转换效率，提高了泵送流体的能力。
附图说明
图1是现有技术的摆动振子的固支方式示意图。
图2是现有技术摆动振子的压电陶瓷片由伸缩变形向弯曲变形的转换状态结构示意图。
图3是鱼类游动的状态示意图。
图4利用压电陶瓷D15效应的摆动振子的接线方式示意图。
图5是实施例1摆动振子的结构示意图。
图6是实施例1摆动振子的平面结构示意图。
图7是图6的左视图。
图8是实施例2摆动振子的结构示意图。
图9是实施例2摆动振子的平面结构示意图。
图10是图9的左视图。
图11是实施例3摆动振子的结构示意图。
图12是实施例3摆动振子的平面结构示意图。
图13是图12的左视图。
图14是实施例4摆动振子的结构示意图。
图15是实施例4摆动振子的平面结构示意图。
图16是图15的左视图。
图17是实施例5摆动振子的结构示意图。
图18是实施例5摆动振子的平面结构示意图。
图19是图18的左视图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图3所示，通过观察鱼的游动行为可以发现，摆动幅度最小的部位是在其质心处，因此本发明运用用仿生学原理，将固支件设置在摆动振子的质心附近，在外部电场激励的作用下，能够获得更大的端部摆幅。另如图4所示，将外加电场方向和极化方向垂直配置，使压电陶瓷片直接产生弯曲，替代现有技术中电场方向与极化方向相同时压电陶瓷片经过伸缩到弯曲变形的转换，故相比现有技术的方案提高了能量转换效率，提高了泵送流体的能力。
实施例1
根据图5至图7所示，本实施例为一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体2以及固定连接在基体上下表面的两个压电陶瓷片1，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，固支件为弹性的支撑杆4；且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向垂直，且两个压电陶瓷片的极化方向相反（图5所示箭头方向）；两个压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，两个压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与基体电连接。结合图5所示，上下两个压电陶瓷片的电场连接面连接交流电源的一极，基体连接交流电源的另一极。
所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍3。
在交流电源产生的交变电场作用下，摆动振子将会产生以支撑杆4为轴摆动振动。由于产生剪切变形的压电陶瓷D15效应较常规的D31效应在数值上大（D31效应如图2所示），因此在振子同样结构参数下，振子将产生更大的摆动振幅；由于这种变形效应有剪切应变直接产生，即压电陶瓷片在电场作用下直接产生弯曲，避免了由伸缩转变为弯曲的过程，提高了机电转换效率；在质心处固支，降低了获得最大机电转换效率的工作频率，获得了较大的端部振幅。
实施例2
根据图8至图10所示，本实施例为一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体2以及固定连接在基体上下表面的两个压电陶瓷片1，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，固支件为扭簧5；且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
所述扭簧5的截面可以是等截面，也可以是变截面，最好的结构是变截面，且扭簧口径由连接基体一端向另一端逐渐加大。
两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向相同，且两个压电陶瓷片的极化方向相同（如图8箭头所示）；两个压电陶瓷片平行于厚度方向的两个相对表面为电场连接面。结合图9所示，上下两个压电陶瓷片左右两侧的电场连接面分别连接交流电源的两极。
所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍3。
在交流电源产生的交变电场作用下，摆动振子将会产生以扭簧5为轴摆动振动。由于产生剪切变形的D15效应较常规的D31效应在数值上大（D31效应如图2所示），因此在振子同样结构参数下，振子将产生更大的摆动振幅；由于这种变形效应有压电陶瓷片的剪切应变直接产生，避免了由伸缩转变为弯曲的过程，提高了机电转换效率；在质心处固支，并以扭转刚度较小的扭簧作为承受扭转的部件，降低了获得最大机电转换效率的工作频率，获得了较大的端部振幅。
实施例3
根据图11至图13所示，本实施例为一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体2以及固定连接在基体上或下表面的一个压电陶瓷片1，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，固支件为弹性的支撑杆4；且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
所述压电陶瓷片的极化方向沿着长度方向，与压电陶瓷片的厚度方向垂直，如图11所示箭头方向；压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与基体电连接。结合图11所示，压电陶瓷片的电场连接面连接交流电源的一极，基体连接交流电源的另一极。
所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍3。
在交流电源产生的交变电场作用下，摆动振子将会产生以支撑杆4为轴的摆动振动。由于产生剪切变形的压电陶瓷D15效应较常规的D31效应在数值上大（D31效应如图2所示），因此在振子同样结构参数下，振子将产生更大的摆动振幅；由于这种变形效应有剪切应变直接产生，即压电陶瓷片在电场作用下直接产生弯曲，避免了由伸缩转变为弯曲的过程，提高了机电转换效率；在质心处固支，降低了获得最大机电转换效率的工作频率，获得了较大的端部振幅。
实施例4
根据图14至图16所示，本实施例为一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体2以及固定连接在基体上下表面的多组压电陶瓷片（本实施例为2组，可以有多组），所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，固支件为弹性的支撑杆4；且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片阵列的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
所述压电陶瓷片阵列的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向垂直，且两个压电陶瓷片的极化方向相反（图14所示箭头方向）；压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与基体电连接。结合图14所示，上下压电陶瓷片的电场连接面连接交流电源的一极，基体连接交流电源的另一极。
所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍3。
在交流电源产生的交变电场作用下，摆动振子将会产生以支撑杆4为轴摆动振动。由于产生剪切变形的压电陶瓷D15效应较常规的D31效应在数值上大（D31效应如图2所示），因此在振子同样结构参数下，振子将产生更大的摆动振幅；由于这种变形效应有剪切应变直接产生，即压电陶瓷片在电场作用下直接产生弯曲，避免了由伸缩转变为弯曲的过程，提高了机电转换效率；在质心处固支，降低了获得最大机电转换效率的工作频率，获得了较大的端部振幅。
实施例5
根据图17至图19所示，本实施例为一种压电泵的摆动振子，包括有弹性的基体2以及固定连接在基体上下表面的多组压电陶瓷片（本实施例为2组，可以有多组），所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，固支件为弹性的扭簧5；且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向垂直，且两个压电陶瓷片的极化方向相反（图5所示箭头方向）；两个压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，两个压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与基体电连接。结合图17所示，压电陶瓷片阵列的电场连接面连接交流电源的一极，基体连接交流电源的另一极。
所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍3。
在交流电源产生的交变电场作用下，摆动振子将会产生以扭簧5中心线为轴的摆动振动。由于产生剪切变形的压电陶瓷D15效应较常规的D31效应在数值上大（D31效应如图2所示），因此在振子同样结构参数下，振子将产生更大的摆动振幅；由于这种变形效应有剪切应变直接产生，即压电陶瓷片在电场作用下直接产生弯曲，避免了由伸缩转变为弯曲的过程，提高了机电转换效率；在质心处固支，降低了获得最大机电转换效率的工作频率，获得了较大的端部振幅。
本实施例通过将两组压电陶瓷片设置在基体两端位置，基体的形变量较中间位置大，故相比实施例1、2、3的方式，在相同功率下能够获得的端部振幅最大，为最佳的实施方式。
Claims (6)
1.一种压电泵的摆动振子，其特征在于：包括有弹性的基体以及固定连接在基体表面的压电陶瓷片，所述基体垂直于连接压电陶瓷片表面的方向上连接有固支件，且摆动振子的质心位于固支件的轴线上；所述压电陶瓷片的极化方向和电场方向相互垂直，且压电陶瓷片的极化方向和电场方向均与固支件的轴线相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种压电泵的摆动振子，其特征在于：所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向垂直，且两个压电陶瓷片的极化方向相反；两个压电陶瓷片垂直于厚度方向的两个相对表面为电场连接面，两个压电陶瓷片朝向基体的电场连接面与导电材质的基体电连接。
3.根据权利要求2所述的一种压电泵的摆动振子，其特征在于：所述的固支件为弹性的支撑杆。
4.根据权利要求1所述的一种压电泵的摆动振子，其特征在于：两个所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的厚度方向相同，且两个压电陶瓷片的极化方向相同；两个压电陶瓷片平行于厚度方向的两个相对表面为电场连接面。
5.根据权利要求4所述的一种压电泵的摆动振子，其特征在于：所述的固支件为扭簧。
6.根据权利要求1所述的一种压电泵的摆动振子，其特征在于：所述基体垂直于固支件的端部连接有柔性的尾鳍。
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Effective date of registration: 20191225 Address after: 314413 No.9 Lianbao Road, Qianjiang Industrial Park, Dingqiao Town, Haining City, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Haining Qianjiang Xingye Investment Development Co.,Ltd. Address before: 323000 Xueyuan Road, Zhejiang, No. 1, Patentee before: Lishui University |
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Denomination of invention: A swinging oscillator for a piezoelectric pump Granted publication date: 20170201 Pledgee: Haining rural commercial bank Limited by Share Ltd. Zhejiang branch Pledgor: Haining Qianjiang Xingye Investment Development Co.,Ltd. Registration number: Y2024980001393 |