CN114109786A - 一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，属于压电泵技术领域。包括压电驱动机构和双腔隔膜泵；压电驱动机构包括对称式同相放大杆和夹紧固定在其中的压电堆栈；对称式同相放大杆由直梁、一对驱动臂、柔性铰链、固定平板、质量块和通过螺栓固定连接在质量块底部的附加质量块组成；一对固定平板将压电堆栈夹紧固定在一对驱动臂之间；双腔隔膜泵包括两个独立的泵腔和共用的进出口流道，并通过腰形孔和螺栓固定设于压电驱动机构的一对驱动臂之间。本发明采用的对称式同相放大杆，可以有效解决压电堆栈的位移放大机构设计中存在的支撑底座设计困难、振动能量浪费严重的问题。
Description
技术领域
本发明属于压电泵技术领域，具体涉及一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵。
背景技术
压电泵是一种以压电振子作为动力元件的新型流体传输装置，它利用压电元件的逆压电效应将电能转化为机械能，使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输送，或者利用压电振子产生波动来定向传输流体。压电泵将驱动器、泵腔和单向阀等部件集成为一体，不仅克服了传统泵中相对运动部件间的泄漏和摩擦磨损，而且还减少了不同部件之间的能量损失。由于压电泵具有传统泵所不具备的显著优点，如结构简单、体积小、可靠性好、功率密度高、效率高、响应速度快、控制精度高、无电磁干扰等，因此尽管它出现的时间并不长，但在航空航天、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。
根据所使用的压电驱动器的不同，压电泵可分为压电双晶片驱动式压电泵和压电堆栈驱动式压电泵。在压电双晶片驱动式压电泵中，通常将压电双晶片四周固定安装在泵腔侧壁，虽然结构紧凑，但是难以产生较大的振动变形以获得较大的泵腔体积变化，所以压电双晶片驱动式压电泵的输出性能相对有限。在压电堆栈驱动式压电泵中，由于压电堆栈输出位移小、驱动力大的特点，故需要采用位移放大机构对压电堆栈的输出位移进行放大。目前主要使用的位移放大机构有菱形放大机构和杠杆放大机构。当采用菱形放大机构时，由于结构的对称性，压电堆栈两端产生的位移同时作用在放大机构上，这种压电堆栈采用对称自支撑的固定方式，可以有效减小放大机构的体积；但菱形放大机构有两个输出端，通常一端固定另一端驱动，这会使压电堆栈在位移输出方向产生整体的振动，产生较大的惯性负荷，造成振动能量的浪费，且会降低压电驱动器的谐振频率。当采用杠杆放大机构时，一般需要对压电堆栈的一端做固定支撑，另一端驱动杠杆臂；这种一端固定一端驱动的结构，为了使压电堆栈产生的位移能完全作用在驱动臂上，需要将固定端的支撑质量和刚度设计的尽可能大，但这会造成结构体积的增加。
发明内容
为了解决压电堆栈泵中压电堆栈的位移放大机构设计中存在的支撑底座设计困难、压电堆栈整体在位移输出方向上的振动造成能量浪费等问题，本发明设计出一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵。
一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵包括压电驱动机构1和双腔隔膜泵4；
所述压电驱动机构1包括对称式同相放大杆3、压电堆栈2、一对质量块11和一对附加质量块12；
所述对称式同相放大杆3为U型杆，底部为直梁5，两侧为一对驱动臂；一对驱动臂的端部分别连接着质量块11，一对质量块11的外部分别固定连接着附加质量块12；
所述压电堆栈2平行于直梁5设于对称式同相放大杆3内，并通过柔性铰链6分别连接着一对驱动臂；
所述双腔隔膜泵4通过固定连接着一对驱动臂，设于对称式同相放大杆3内部；
当给压电堆栈2施加带偏置电压的交流电时，压电堆栈2沿高度方向产生往复伸缩变形，产生往复摆动，从而驱动双腔隔膜泵4连续泵送流体；
当交流电源的激励频率为所述压电驱动机构1的一阶反相弯曲谐振频率时，所述一对驱动臂在往复摆动的同时，产生大幅度的弯曲变形，从而提高双腔隔膜泵4的输出性能；
通过调节附加质量块12的质量，实现调节压电驱动机构1的一阶反相弯曲谐振频率，实现压电驱动机构1与双腔隔膜泵4的单向阀的最佳工作频率相匹配。
进一步的技术方案如下：
所述一对驱动臂包括上驱动臂102和下驱动臂101，上驱动臂102和下驱动臂101上分别开设有腰形孔9；所述双腔隔膜泵4的顶部和底部分别通过固定螺栓8、腰形孔9固定设于对称式同相放大杆3内，调节双腔隔膜泵4在一对驱动臂之间的位置，实现放大倍数和机械阻抗匹配特性的调整。
所述对称式同相放大杆3的材料为金属，且对称式同相放大杆3的表面涂覆有绝缘漆。
所述压电堆栈2为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化；所述压电堆栈2的侧面通过电极引线21，连接着带偏置电压的交流电源U1。
与压电堆栈2的顶部和底部对应的一对驱动臂分别通过柔性铰链6连接着固定平板7，一对固定平板7固定夹持着压电堆栈2。
所述压电堆栈2的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。
所述双腔隔膜泵4为层叠式隔膜泵，包括两个独立的泵腔16、对应的进口单向阀阵列19和出口单向阀阵列20，拥有共用的进口流道17和出口流道18。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）本发明提出一种新型的基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其中的压电驱动器采用双向位移输出，可以大大降低压电堆栈位移放大机构中支撑底座的设计难度；并且压电堆栈在位移输出方向不会产生整体的振动，可以有效降低振动能量的浪费。
（2）本发明的压电驱动器采用对称结构设计，结构紧凑、易于加工；其工作状态可以是准静态，也可以是一阶反相弯曲谐振模态；在一阶反相弯曲谐振模态下，具有机械品质因子高、驱动性能高、工作可靠性好的优势，且其谐振频率可以通过调节附加质量块的大小实现大范围调节，以与单向阀的最佳工作频率相匹配，从而使压电泵的工作性能最佳。
（3）本发明采用可拆卸结构设计，具有可循环利用的压电驱动器和可替换的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本；此外，可以通过驱动臂上腰形孔与螺栓的配合，调整双腔隔膜泵在一对驱动臂之间的安装位置，从而调节压电驱动器和双腔隔膜泵之间的机械阻抗匹配特性，实现最佳阻抗匹配。
（4）本发明采用杠杆放大原理，基于杠杆放大原理设计的压电驱动机构需要的弹性铰链数目少，结构简单且放大效率高，机构的运动再现性高，应用广泛。基于此原理对压电驱动机构进行理论放大倍数的计算，可实现3.07～5.21倍位移放大效果。经过ANSYS有限元仿真，在压电堆栈与固定平板接触处对对称式同向放大杆施加压电堆栈标称位移，计算求解并对腰形孔处作驱动臂向外侧摆动方向上的位移输出监测，可计算出此压电驱动机构可实现2.71～4.49倍位移放大效果。由此证明本发明可有效对压电堆栈输出位移进行有效的放大。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为压电驱动机构的结构示意图。
图3为隔膜泵安装位置远离驱动臂根部时的示意图。
图4为隔膜泵安装位置靠近驱动臂根部时的示意图。
图5为压电驱动机构的输出位移放大倍数沿腰形槽轴线位置的变化曲线。
图6为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双腔隔膜泵的工作状态示意图。
图7为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双腔隔膜泵的工作状态示意图。
图8为当驱动电源的激励频率接近压电驱动器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双腔隔膜泵的工作状态示意图。
图9为当驱动电源的激励频率接近压电驱动器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双腔隔膜泵的工作状态示意图。
图10为当改变附加质量块大小时，压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率变化曲线。
在图1至图10中序号：压电驱动机构1、压电堆栈2、对称式同相放大杆3、双腔隔膜泵4、直梁5、柔性铰链6、固定平板7、固定螺栓8、腰形孔9、质量块11、附加质量块12、螺栓13、连接器14、泵腔隔膜15、泵腔16、进口流道17、出口流道18、进口单向阀阵列19、出口单向阀阵列20、电极引线21、下驱动臂101、上驱动臂102、上腔连接器141、下腔连接器142、上腔隔膜151、下腔隔膜152、上腔161、下腔162、上腔进口单向阀阵列191、下腔进口单向阀阵列192、上腔出口单向阀阵列201、下腔出口单向阀阵列202、带偏置电压的交流电源U1。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵包括压电驱动机构1和双腔隔膜泵4。
参见图2，压电驱动机构1包括对称式同相放大杆3、压电堆栈2、一对质量块11和一对附加质量块12。对称式同相放大杆3为U型杆，材料为金属，且表面涂覆有绝缘漆。对称式同相放大杆3的底部为直梁5，两侧为一对驱动臂。参见图6，一对驱动臂包括上驱动臂102和下驱动臂101，上驱动臂102和下驱动臂101上分别开设有腰形孔9。
参见图2，与压电堆栈2的顶部和底部对应的上驱动臂102、下驱动臂101分别通过柔性铰链6连接着固定平板7，一对固定平板7固定夹持着压电堆栈2，使压电堆栈2平行于直梁5固定安装于对称式同相放大杆3内。压电堆栈2为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化；压电堆栈2的侧面通过电极引线21连接着带偏置电压的交流电源U1，见图3和图4。
所述对称式同相放大杆3的长度为50mm、宽度为15mm、高度为27mm；所述直梁5的长度即为对称式同相放大杆3的高度，为27mm、宽度为15mm、厚度沿对称式同相放大杆3的长度方向，为2.5mm；所述驱动臂的长度为50mm、宽度为15mm、厚度沿对称式同相放大杆3的高度方向，为2.5mm；所述质量块11的长度沿对称式同相放大杆3的高度方向为10mm、宽度为15mm、高度沿对称式同相放大杆3的长度方向，为2.5mm。所述压电堆栈2的高度为10mm、宽度为10mm、长度为10mm。所述附加质量块12的长度沿对称式同相放大杆3的高度方向，为10mm，宽度为15mm，高度沿对称式同相放大杆3的长度方向，为5mm。
参见图3和图4，双腔隔膜泵4的顶部和底部分别通过固定螺栓8、腰形孔9固定安装于对称式同相放大杆3内，调节双腔隔膜泵4在一对驱动臂之间的位置，实现放大倍数和机械阻抗匹配特性的调整。一对驱动臂的端部分别连接着质量块11，一对质量块11的外部分别固定连接着附加质量块12。
参见图5，压电驱动器1的输出位移，可以通过一对驱动臂上的腰形孔9和固定螺栓8调节双腔隔膜泵4在一对驱动臂之间的位置，实现对放大倍数和机械阻抗匹配特性的调整。经过ANSYS有限元仿真分析，在压电堆栈2与固定平板7接触处对对称式同向放大杆3施加压电堆栈标称位移，并对腰形孔9处作驱动臂向外侧摆动方向上的位移输出监测，可计算出腰形孔9沿驱动臂方向上的仿真放大倍数；同理，由三角形的相似比，可计算出压电驱动器1的理论放大倍数，见图5。
参见图6，双腔隔膜泵4为层叠式隔膜泵，包括两个独立的泵腔16，分别为上腔161和下腔162，对应的上腔隔膜151和下腔隔膜152，上腔进口单向阀阵列191、下腔进口单向阀阵列192和上腔出口单向阀阵列201、下腔出口单向阀阵列202，拥有共用的进口流道17和出口流道18。
本发明压电堆栈泵的工作原理详细叙述如下：
参见图6和图7，当给压电堆栈2施加带偏置电压的交流电源U1时，压电堆栈2沿高度方向产生往复伸缩变形，并通过固定平板7和柔性铰链6驱动一对驱动臂产生往复摆动，由于双腔隔膜泵4的顶部和底部分别通过固定螺栓8、腰形孔9固定安装于对称式同相放大杆3内，从而驱动双腔隔膜泵4连续泵送流体；所述下驱动臂101和上驱动臂102的摆动位移可以通过下腔连接器142和上腔连接器141分别传递至下腔隔膜152和上腔隔膜151，使泵腔隔膜15产生弹性振动变形，进而使下腔162和上腔161的密封体积周期性变化；当下驱动臂101和上驱动臂102分别拉动下腔连接器142和上腔连接器141使下腔隔膜152和上腔隔膜151向泵腔16外部变形，下腔162和上腔161的密封体积变大、压强变小，在内外压差的作用下，上腔进口单向阀阵列191和下腔进口单向阀阵列192开启，上腔出口单向阀阵列201和下腔出口单向阀阵列202关闭，流体从进口流道17分别通过上腔进口单向阀阵列191和下腔进口单向阀阵列192流入上腔161和下腔162，即吸入流体过程；当下驱动臂101和上驱动臂102分别推动下腔连接器142和上腔连接器141使下腔隔膜152和上腔隔膜151向泵腔16内部变形，下腔162和上腔161的密封体积变小、压强变大，在内外压差的作用下，上腔进口单向阀阵列191和下腔进口单向阀阵列192关闭，上腔出口单向阀阵列201和下腔出口单向阀阵列202开启，流体分别从上腔161和下腔162通过上腔出口单向阀阵列201和下腔出口单向阀阵列202流出出口流道18，即排出流体过程。
参见图6，当所述驱动电源U1的激励电压上升时，压电堆栈2沿高度方向伸长，驱动一对驱动臂向外侧摆动，此时双腔隔膜泵4处于吸入流体过程。
参见图7，当所述驱动电源U1的激励电压下降时，压电堆栈2沿高度方向缩短，驱动一对驱动臂向内侧摆动，此时双腔隔膜泵4处于排出流体过程。
参见图6和图7，当所述带偏置电压的交流驱动电源U1的激励频率远低于所述压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率时，即所述压电驱动机构1在准静态工作时，所述压电堆栈2驱动一对驱动臂作往复摆动，从而驱动与其连接的双腔隔膜泵4在准静态连续泵送流体。
参见图8和图9，当所述带偏置电压的交流驱动电源U1的激励频率接近所述压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率时，即所述压电驱动机构1在其一阶反相弯曲谐振模态工作时，所述压电堆栈2驱动一对驱动臂作往复摆动，同时所述一对驱动臂产生一阶反相弯曲变形，从而可以增大与其连接的双腔隔膜泵4的上腔隔膜151和下腔隔膜152的变形幅度，提高双腔隔膜泵4的输出性能。
所述带偏置电压的交流驱动电源U1的驱动波形为交流正弦波、三角波或方波，当所述压电驱动机构1在一阶反相弯曲谐振模态工作时，驱动频率为其一阶反相弯曲谐振频率，或在该谐振频率附近一定范围内调整。所述压电驱动机构1的一阶反相弯曲谐振频率受被驱动负载包括所述上腔连接器141和下腔连接器142、上腔隔膜151和下腔隔膜152、被泵送流体等的影响会有所变动，可以增加可自动追踪谐振频率的振荡电路进行闭环控制。
参见图10，所述压电驱动机构1的一阶反相弯曲谐振频率，可以通过调节所述附加质量块12大小实现大范围调节，在实际使用中，可以通过调节所述附加质量块12高度的大小，使所述压电驱动机构1的谐振频率与双腔隔膜泵4中所使用的单向阀的谐振频率一致，使压电泵在该谐振频率工作时，所述压电驱动机构1和单向阀都达到最佳工作状态，从而使压电泵的工作性能最佳；由于所述压电驱动机构1的谐振频率调节范围大，因此该压电驱动机构1可以匹配不同类型的单向阀的工作频率，适应性强。
由于所述双腔隔膜泵4同时受到一对驱动臂施加的大小相等、方向相反的驱动力，因此其反作用力相互抵消，理论上无需外接提供额外的夹持力，实际中只需夹持装置在双腔隔膜泵4的泵体外壁维持较小的夹持力即可进行固定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：包括压电驱动机构（1）和双腔隔膜泵（4）；
所述压电驱动机构（1）包括对称式同相放大杆（3）、压电堆栈（2）、一对质量块（11）和一对附加质量块（12）；
所述对称式同相放大杆（3）为U型杆，底部为直梁（5），两侧为一对驱动臂；一对驱动臂的端部分别连接着质量块（11），一对质量块（11）的外部分别固定连接着附加质量块（12）；
所述压电堆栈（2）平行于直梁（5）设于对称式同相放大杆（3）内，并通过柔性铰链（6）分别连接着一对驱动臂；
所述双腔隔膜泵（4）通过固定连接着一对驱动臂，设于对称式同相放大杆（3）内部；
当给压电堆栈（2）施加带偏置电压的交流电时，压电堆栈（2）沿高度方向产生往复伸缩变形，产生往复摆动，从而驱动双腔隔膜泵（4）连续泵送流体；
当交流电源的激励频率为所述压电驱动机构（1）的一阶反相弯曲谐振频率时，所述一对驱动臂在往复摆动的同时，产生大幅度的弯曲变形，从而提高双腔隔膜泵（4）的输出性能；
通过调节附加质量块（12）的质量，实现调节压电驱动机构（1）的一阶反相弯曲谐振频率，实现压电驱动机构（1）与双腔隔膜泵（4）的单向阀的最佳工作频率相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：所述一对驱动臂包括上驱动臂（102）和下驱动臂（101），上驱动臂（102）和下驱动臂（101）上分别开设有腰形孔（9）；所述双腔隔膜泵（4）的顶部和底部分别通过固定螺栓（8）、腰形孔（9）固定设于对称式同相放大杆（3）内，调节双腔隔膜泵（4）在一对驱动臂之间的位置，实现放大倍数和机械阻抗匹配特性的调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：所述对称式同相放大杆（3）的材料为金属，且对称式同相放大杆（3）的表面涂覆有绝缘漆。
4.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈（2）为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化；所述压电堆栈（2）的侧面通过电极引线（21），连接着带偏置电压的交流电源（U1）。
5.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈（2）的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：所述双腔隔膜泵（4）为层叠式隔膜泵，包括两个独立的泵腔（16）、对应的进口单向阀阵列（19）和出口单向阀阵列（20），拥有共用的进口流道（17）和出口流道（18）。
7.根据权利要求1所述的一种基于对称式同相放大机构的压电堆栈泵，其特征在于：与压电堆栈（2）的顶部和底部对应的一对驱动臂分别通过柔性铰链（6）连接着固定平板（7），一对固定平板（7）固定夹持着压电堆栈（2）。
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