CN111365621B

CN111365621B - 致动器及其制法与音波发射器

Info

Publication number: CN111365621B
Application number: CN201811598547.0A
Authority: CN
Inventors: 林家欣; 许清渊; 邱佑宗; 陈春弟
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN111365621A

Abstract

本发明公开一种致动器及其制法与音波发射器，其中，致动器包括具有环形结构的弹性金属件、设置于环形结构的弹性金属件内的层叠压电件、设置于层叠压电件两端以将层叠压电件与弹性金属件耦接的多个耦合件。本发明的弹性金属件被赋予有预应力，借由将具有对应于预应力的尺寸的多个耦合件设置在层叠压电件的堆叠方向的两端与弹性金属件之间，以维持赋予至弹性金属件的预应力。本发明的音波发射器包括致动器和振膜，致动器接收电压而振动进而驱动振膜振动以发射音波。

Description

致动器及其制法与音波发射器

技术领域

本发明涉及一种致动器及其制法与音波发射器，尤其是涉及一种利用压电技术的致动器及其制法，以及包含致动器的低频音波发射器。

背景技术

一般而言，水管或其他管线可能泄漏的原因诸多，例如当管线受到过大的外力时，内压力或不均匀的荷重可能引起管体的破裂或断裂。此外，管与管间的接头可能因使用时间久，导致塑胶垫圈材质老化，再加上侵蚀、震动移位等因素，造成接头缝隙变大而发生泄漏。此外，管线可能因水质或土质的影响而被腐蚀，使得管材强度减弱而造成破管。另外，管路上的阀类闭锁不全也有可能造成的流量漏失。

传统对于管线是否泄漏的检测可在管线附近放置能发射特定频路的发射器，再由人员手持接收器来接收反射的频率。另外，也可于阀件上打入声波，借由声波在管件上的移动，让地面上的接收器得知管路位置。

一般而言，待测管线通常达数百公尺至数公里长，因此发射器所发射的讯号需要传递得够远，才能检测到管线的破口所在。对于这样的发射器，其导致音波发射的致动器的设计更为关键。是以，如何开发出一种能将声波传递至远方以主动检测管线泄漏的发声源，为目前业界亟待解决的议题。

发明内容

本发明的一实施例揭示一种致动器及其制法与音波发射器，可在相对低频范围有相对高的振幅，故能将音波传递较远。

本发明的致动器，包括：弹性金属件，具有多个弯曲段和多个连接段以构成具有长轴方向及短轴方向的环形结构；层叠压电件，设置于该弹性金属件的环形结构内并具有沿着该长轴方向堆叠的多个压电单元；以及多个耦合件，设置于该弹性金属件的环形结构内以使该层叠压电件的在该长轴方向上的两端分别与该弹性金属件的在该长轴方向上的连接段耦合。

本发明的一实施例揭示一种致动器的制法，包括：提供堆叠有多个压电单元的层叠压电件；一体形成弹性金属件，所形成的弹性金属件具有多个弯曲段和多个连接段以构成具有长轴方向及短轴方向的环形结构；赋予该弹性金属件预应力；以及利用具有对应于该预应力的尺寸的多个耦合件，将该层叠压电件在其堆叠方向上的两端分别与该弹性金属件在该长轴方向上的连接段耦合，以维持该预应力。

本发明的一实施例揭示一种音波发射器，包括：如上述的致动器，用以接收电压而振动；振膜，设置于该致动器上并附接至该弹性金属件的位于该短轴方向上的其中一连接段，以受该弹性金属件的驱动而振动；以及承载件，设置于该致动器上并附接至该弹性金属件的位于该短轴方向上的另一连接段，以支撑该致动器及该振膜。

附图说明

图1A为本发明的致动器的一实施例的结构示意图；

图1B为本发明的致动器的电极的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的音波发射器的一实施例的结构示意图；

图3为本发明的致动器的制法的一实施例的流程示意图；

图4为本发明的致动器的实验例1的弹性金属件的平面示意图；

图5为本发明的致动器的比较例与各实验例的长短轴比-冲程曲线图；

图6为本发明的致动器的比较例与外拉的各实验例的频率-振幅曲线图；

图7为本发明的致动器的比较例与内压的各实验例的频率-振幅曲线图。

符号说明

1 弹性金属件

11a、11b、11c、11d 弯曲段

12a、12b、12c、12d 连接段

2 层叠压电件

21 压电单元

221、222 电极

3 耦合件

4 振膜

5 承载件

6 固定件

A 长轴方向

B 短轴方向

2a、2b、c 长度

dx、dy 位移量

S201至S203 步骤。

具体实施方式

以下借由特定的实施例说明本发明的实施方式，熟悉此项技术的人士可由本文所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，非用于限定本发明可实施的限定条件，故任何修饰、改变或调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

请参阅图1A，本发明的致动器包括弹性金属件1、层叠压电件2及耦合件3。

弹性金属件1可具有多个弯曲段11a至11d和多个连接段12a至12d，以构成具有长轴方向A以及短轴方向B的环形结构，其中这些相连的弯曲段11a至11d和连接段12a至12d一体形成为该环形结构，此在机械上可视为串联结构。弯曲段11a至11d和连接段12a至12d一体形成该环型结构仅为一种实施方式，并不以此为限。如图1A所示，连接段12b和12d位于长轴方向A上，连接段12a和12c位于短轴方向B上，弯曲段11a位于连接段12d和12a之间并与位于连接段12d和12c之间的弯曲段11d以长轴方向A镜像对称，弯曲段11b位于连接段12b和12a之间并与位于连接段12b和12c之间的弯曲段11c以长轴方向A镜像对称。

此外，弯曲段11a至11d各者构成椭圆的部分周长，而连接段12a至12d各者可为直线段。另外，本发明可省略连接段12a和12c而仅保留连接段12b和12d，并使弯曲段11a和11b成为连续以共同为椭圆的部分周长，而弯曲段11c和11d也成为连续以共同为同一椭圆的部分周长，使得由弯曲段11a和11b构成的椭圆部分周长与弯曲段11c和11d构成的椭圆部分周长能以长轴方向A镜像对称。

本发明的具有环形结构的弹性金属件1可视为类椭圆，本发明的具有环形结构的弹性金属件1可具有在长轴方向A上的两个连接段12b和12d以及以长轴方向A对称设置的两个弯曲段(连续的弯曲段11a和11b以及连续的弯曲段11c和11d)、或可具有在长轴方向A上的两个连接段12b和12d、在短轴方向B上的两个连接段12a和12c、以及以长轴方向A两两对称设置的四个弯曲段11a至11d(其中弯曲段11a与11d对称而弯曲段11b与11c对称)、更可依致动器所需的振动频率或冲程而设计更多的弯曲段和连接段。

此外，具有环形结构的弹性金属件1可被赋予有预应力，例如在长轴方向上提供外拉力或内压力以使弹性金属件1具有预应力，将于后详述之。另一般而言，弹性金属件1的材料可例如弹性钢、或弹性钢合金、或其他具有弹性的金属或合金。

层叠压电件2可包括堆叠的多个压电单元21以及形成于其上的电极221和222，其中压电单元21可为压电片，如图1B所示。堆叠的压电单元21以堆叠方向平行于弹性金属件1的长轴方向A的方式设置于弹性金属件1的环状结构内。此外，电极221和222的设置如图1B所示，对照着图1A，电极221设置于压电单元21之上及之间，电极222设置于压电单元21之下及之间，即每个压电单元21的左右两侧(长轴方向A)分别为电极221和222，每个压电单元21的上下两侧(短轴方向B)分别为电极221和222，其中电极222可接地而电极221可施予电压，此对于堆叠的压电单元21而言为电性并联，使得各压电单元21在厚度上(长轴方向A)产生伸张现象，即在长轴方向A上产生位移，进而带动弹性金属件1在短轴方向B上的位移。

此外，压电单元21的材料可为如石英的单晶类材料、如氧化锌的薄膜类材料、如聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)的聚合物类材料、如锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O₃；PZT)的陶瓷类材料、或如PZT与硅、玻璃或橡胶结合的复合压电类材料。

多个耦合件3可设置于弹性金属件1的环状结构内。如图1A所示，两个耦合件3可位于长轴方向A上以将层叠压电件2的两端分别与弹性金属1件的连接段12b和12d耦合。耦合件3的厚度可依据预应力的大小来决定，举例来说，当赋予弹性金属件1预外拉力时，可使用厚度(长轴方向A)较大的耦合件3来耦接层叠压电件2与弹性金属件1，借此维持预外拉力；当赋予弹性金属件1预内压力时，可使用厚度(长轴方向A)较小的耦合件3来耦接层叠压电件2与弹性金属件1。

此外，层叠压电件2、耦合件3和弹性金属件1之间的耦合可透过固定件6来固定。如图1A所示，固定件6可例如铁钉、铆钉、螺丝或螺栓之类的锁附元件、或可为涂布于层叠压电件2、耦合件3、和弹性金属件1的连接段12b和12d之间的粘着剂、更可为设计在耦合件3、层叠压电件2、和弹性金属件1的连接段12b和12d上的卡合设计，借此强化该预应力的维持，以避免因致动器振动一段时间之后层叠压电件2、耦合件3和弹性金属件1之间彼此松脱而导致预应力消失。

据此，本发明的弹性金属件可将层叠压电件在其堆叠方向(即弹性金属件的长轴方向)上的变形转换为弹性金属件在短轴方向上的振动，故具有较大的冲程。此外，借由在多个弯曲段之间设置与其一体形成的连接段以构成类椭圆设计的弹性金属件，相较于椭圆设计的弹性金属件，在冲程及频率上有更佳的表现。此外，弹性金属件可赋予有预应力，并借由调整耦合件的厚度来维持预外拉力或预内压力，具有预应力的弹性金属件能使得致动器在相对低频范围有相对高的振幅。

请参阅图2，本发明的音波发射器包括弹性金属件1、层叠压电件2、耦合件3、振膜4、承载件5、及固定件6。弹性金属件1、层叠压电件2、耦合件3和固定件6如上文及图1A所示，故在此不予赘述。

如图2所示，振膜4可设置于致动器上并附接至弹性金属件1的位于短轴方向B上的连接段12a，以受弹性金属件1的驱动而振动。承载件5可设置于该致动器上并附接至弹性金属件1的位于短轴方向B上的连接段12c，以支撑该致动器及该振膜4，此外承载件5于图2中仅以板件示意，其具体实施时可能为以基座或框架。本发明的音波发射器的发射频率为10Hz至500Hz，冲程可大于0.5mm。

因此，本发明的音波发射器由于频率较低、故音波能传递较远，可作为主动检测管线泄漏的发声源，借以检测管线是否劣化而影响驻波的形成。

请参阅图3，其概略绘示本发明致动器的制法的流程。

如步骤S201所示，一体形成弹性金属件。所形成的弹性金属件具有多个弯曲段和多个连接段以构成具有长轴方向及短轴方向的环形结构。此外，各弯曲段可为一椭圆的部分周长而各连接段可为一直线的部分线段。此外，多个连接段可为在长轴方向上的两个连接段，而多个弯曲段可为以长轴方向对称的两个弯曲段；或者，多个连接段可为在长轴方向上的两个连接段以及在短轴方向上的另两个连接段，而多个弯曲段可为两两以长轴方向对称的四个弯曲段。

如步骤S202所示，赋予弹性金属件预应力。可对弹性金属件提供在长轴方向上的外拉力或内压力以使弹性金属件具备所述预应力。

如步骤S203所示，利用具有对应于预应力的尺寸的多个耦合件将弹性金属件与层叠压电件耦合。所述层叠压电件的形成可例如堆叠多个压电单元以形成层叠压电件，并于层叠压电件之上形成电极。此外，所述层叠压电件与弹性金属件的耦合的方式为，耦合件将层叠压电件的在其堆叠方向上的两端分别与弹性金属件的在长轴方向上的连接段耦合，以维持预应力。耦合件的尺寸可依据预应力的大小来决定，当赋予弹性金属件预外拉力时，可使用厚度较大的耦合件来耦接层叠压电件与弹性金属件，借此维持预外拉力；当赋予弹性金属件预内压力时，可使用厚度较小的耦合件来耦接层叠压电件与弹性金属件。此外，更可包括利用多个固定件，在长轴方向上连接层叠压电件、多个耦合件及弹性金属件，以强化预应力的维持性。

接着参阅图4-图7及表一，在此提供比较例和各实验例来说明本发明致动器的振动表现。

表一

实验例1如图4所示，致动器的弹性金属件具有长度为2a的长轴、长度为2b的短轴、长度为c的四个连接段及在连接段之间的四个弯曲段，其中两个连接段在长轴上两个连接段在短轴上，而各连接段为直线段且各弯曲段属于同一个椭圆周长，实验例1的弹性金属件于本文称为具有类椭圆的环形结构的弹性金属件，实验例1并无预应力，且在长轴方向有位移量dx而短轴方向有位移量dy。此外，本发明所采用的比较例为：具有长轴长度2a和短轴长度2b的椭圆的弹性金属件，比较例并无连接段更无预应力。其次，实验例2至7的弹性金属件在结构上与实验例1相同，仅增加分别为外拉0.014mm、外拉0.035mm、外拉0.35mm、内压0.014mm、内压0.035mm、内压0.35mm的预应力，其中外拉或内压的施力方向为长轴方向。

在图5中，横坐标为长轴与短轴的比值(a/b ratio)，纵坐标dy/dx为致动器的冲程，即弹性金属件短轴方向的位移量与长轴方向的位移量的比值。根据图5可发现，实验例1相较于比较例具有较大的冲程。此外，在a/b为2.5的情况下，实验例4和实验例7相较于比较例具有较大的冲程。另外，当a/b值越大，也具有较大的冲程，例如为1.5至10、1.5至8或2至6。因此可知，采用类椭圆环形结构的弹性金属件的致动器，相较于具有椭圆的弹性金属件的致动器具有更大的冲程，若再赋予弹性金属件外拉或内压的预应力，则具有更大的冲程。

接着参阅图6和图7，图6为预应力为外拉的实验例2-4与无预应力的实验例1的振幅-频率曲线图，图7为预应力为内压的实验例5-7与无预应力的实验例1的振幅-频率曲线图。根据图6和图7可发现，在相对低频，如1000Hz甚或500Hz以下，有预应力的实验例2-7的弹性金属件相较于无预应力的实验例1的弹性金属件，具有较大的振幅。

综上所述，本发明的致动器包括具有类椭圆环形结构的弹性金属件、设置于弹性金属件内具有沿长轴方向堆叠的多个压电单元的层叠压电件、设置于层叠压电件两端以在长轴方向将层叠压电件与弹性金属件耦接的多个耦合件，本发明的音波发射器包括前述致动器及受致动器驱动的振膜，借由将具有对应于预应力的尺寸的多个耦合件设置在层叠压电件的堆叠方向的两端与弹性金属件之间，以维持赋予至弹性金属件的预应力。因此，本发明的致动器在相对低频范围有相对高的振幅，本发明的音波发射器因其频率较低、故能将音波传递较远。

上述实施例仅例示性说明本发明的功效，而非用于限制本发明，任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下对上述该些实施态样进行修饰与改变。因此本发明的保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种致动器，其特征在于，包括：

弹性金属件，具有多个弯曲段和多个连接段以构成具有长轴方向及短轴方向的环形结构；

层叠压电件，设置于该弹性金属件的环形结构内并具有沿着该长轴方向堆叠的多个压电单元；以及

多个耦合件，设置于该弹性金属件的环形结构内，以使该层叠压电件在该长轴方向上的两端分别与该弹性金属件在该长轴方向上的连接段耦合。

2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该致动器还包括设置于该层叠压电件上的电极，该电极用以接收电压以使该层叠压电件变形，进而带动该弹性金属件在该短轴方向上的振动。

3.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该弹性金属件具有预应力，而该多个耦合件分别位于该弹性金属件与该层叠压电件之间以维持该预应力。

4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该致动器还包括多个固定件，其在该长轴方向上连接该弹性金属件、该层叠压电件、及该多个耦合件。

5.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，各该弯曲段为椭圆的部分周长，而各该连接段为直线的部分线段。

6.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该多个连接段为在该长轴方向上的两个连接段，而该多个弯曲段为以该长轴方向对称的两个弯曲段。

7.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该多个连接段为在该长轴方向上的两个连接段以及在该短轴方向上的另两个连接段，而该多个弯曲段为两两以该长轴方向对称的四个弯曲段。

8.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该环形结构在该长轴方向的长轴与在该短轴方向的短轴的比值介于1.5至10之间。

9.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该环形结构在该长轴方向的长轴与在该短轴方向的短轴的比值介于1.5至8之间。

10.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该环形结构在该长轴方向的长轴与在该短轴方向的短轴的比值介于2至6之间。

11.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该环形结构在该长轴方向的长轴与在该短轴方向的短轴的比值为2.5。

12.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该压电单元的材质为单晶类材料、聚合物类材料、陶瓷类材料、或复合压电类材料。

13.一种致动器的制法，其特征在于，包括：

提供堆叠有多个压电单元的层叠压电件；

一体形成弹性金属件，所形成的弹性金属件具有多个弯曲段和多个连接段以构成具有长轴方向及短轴方向的环形结构；

赋予该弹性金属件预应力；以及

利用具有对应于该预应力的尺寸的多个耦合件，将该层叠压电件在其堆叠方向上的两端分别与该弹性金属件在该长轴方向上的连接段耦合，以维持该预应力。

14.根据权利要求13所述的制法，其特征在于，该层叠压电件的形成包括：堆叠该多个压电单元以形成该层叠压电件，并于该层叠压电件上形成电极。

15.根据权利要求13所述的制法，其特征在于，该制法还包括利用多个固定件在该长轴方向上连接该层叠压电件、该多个耦合件及该弹性金属件。

16.一种音波发射器，其特征在于，包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的致动器，用以接收电压而振动；

振膜，设置于该致动器上并附接至该弹性金属件的位于该短轴方向上的其中一连接段，以受该弹性金属件的驱动而振动；以及

承载件，设置于该致动器上并附接至该弹性金属件的位于该短轴方向上的另一连接段，以支撑该致动器及该振膜。

17.根据权利要求16所述的音波发射器，其发射频率为10Hz至500Hz，冲程大于0.5mm。