CN114228966B - 一种高质量流量的压电脉冲推动器及水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高质量流量的压电脉冲推动器及水下机器人；该推动器包括依次叠置的进流层、复合合金层、振动基板层、振动层、上电极层和壳体层，以及位于复合合金层与振动基板层之间的堵塞层和O型密封圈。O型密封圈与堵塞层之间的空隙形成变压腔室；本发明中，压电振子负位移时，振子径向边缘首先与密封环紧密贴合，变压腔室体积变大，由于负压吸入流体；压电振子正位移时，振子中心首先与复合合金层入流孔紧密贴合，振子径向边缘远离密封环，变压腔室内流体受迫进入输出流道，补充输出流道在压电振子负位移时损失流体，为下一次喷射提供流体；周而复始的高频震动，实现流体的脉冲喷射，从而实现流体的单向高质量流量输送。

Description

一种高质量流量的压电脉冲推动器及水下机器人

技术领域

本发明属于微型水下驱动器技术领域，具体涉及一种采用花瓣状压电材料和超弹镍钛复合金属基板的压电推进器及制备方法，可应用于微型机器人的推进。

背景技术

传统水下推进器一直以旋转推进为主，如螺旋桨推进、泵喷推进(亦是以桨叶高速旋转吸入流体后喷出)等。传统转动方式的推进器具有结构复杂、磨损严重，同时因侧向力导致相对效率较低的缺陷。也因存在相对转动，其在微型化、集成化方面也非常难以工艺实现。基于此，后续学者和工程师亦提出了扑翼推进等非旋转推进方式，但扑翼推进仍存在一定的侧向力，效率一般，同时机构相对复杂，能量利用率低下。基于上述背景，我们提出一种新型的推进方式，即正压脉冲喷射推进方式，由压电材料和振动基板构成特定模态正向挤压和喷射流体，具有能量利用率高，同时可微型化、集成化工艺实现，甚至可基于半导体工艺实现极微型推进器。

我们设想，利用压电材料的逆压电效应，在周期性的电信号控制下，使压电振子做往返的运动，进而改变压电变压腔室体容积，使腔体内外产生压差，若能实现流体从入口处被持续吸入，在出口处被排出，并且流动方向一致，实现流体单向传输，则可实现基于压电效应的微型脉冲推进器。然而，要实现压电脉冲推进器，采用传统的设计将遇到三个问题：一是流体的单向运动，二是工作过程中热损耗高，三是质量流量不够大。

目前压电振子多基于圆形压电片与基板复合构成，其在工作过程中压电振子基于特定模态不断折弯或挠曲，形成往复运动。折弯或挠曲引起的振子多晶体内原子错位运动将持续产生热量，造成较大的热损耗。若想要降低热损耗，可以通过改变压电振子的形状，通过减小压电振子多晶体单次往复运动的原子错位运动总量(例如异形结构实现振子相同的振型，但具有更小的体积和振动频率)来减小单位时间热量生成，从而减小装置在工作过程中的总体能量耗散。另一方面，压电振子的基板目前多采用磷青铜(C5210)、不锈钢SUS301等材料，若要想实现更大的弹性形变来提高压电脉冲推进器的质量流量，可采用弹性系数更大的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于超弹镍钛合金基板和花瓣状压电片复合振子的微型压电脉冲推进器结构及制备方法，在外界条件不变的前提下，压电振子将获得更大的弹性形变，更小的热损耗和实现流体的单向运动。

第一方面，本发明提供一种高质量流量的压电脉冲推动器，其包括依次叠置的进流层、复合合金层、振动基板层、振动层、上电极层和壳体层，以及位于复合合金层与振动基板层之间的堵塞层和O型密封圈。

所述的进流层和复合合金层内开设有输入流道；振动基板层包括边缘固定部、连接件和中心振动部。中心振动部设置在边缘固定部的中心孔内，并与中心振动部的中心孔边缘通过连接件连接。中心振动部能够相对于边缘固定部发生振动。采用压电材料的振动层固定在中心振动部远离复合合金层的一侧。中心振动部与复合合金层之间留有间隙。堵塞层固定在中心振动部靠近复合合金层的一侧。O型密封圈设置在复合合金层与振动基板层之间。O型密封圈与堵塞层之间的空隙形成变压腔室；

所述壳体层和上电极层的内腔形成输出流道。输出流道的输出端设置有喷射口；上电极层与振动基板层之间设置有绝缘隔层。上电极层内设置有供电触线；供电触线的一端与上电极层连接，另一端与振动层远离振动基板层的侧面的波节处电连接。振动层的两极分别通过上电极层和复合合金层引出。

作为优选，所述输入流道的输入端通过相互独立的多个进液口与外界环境连通。

作为优选，所述的振动层呈花瓣状，包括一体成型的中心压电片和沿中心压电片的周向均布的四片分支压电片。相邻的分支压电片间隔设置；分支压电片的主体部分由内至外组件增大，且外端端部呈圆弧状。

作为优选，所述边缘固定部的厚度大于中心振动部的厚度。

作为优选，所述的进流层和复合合金层中设置有一个或多个储存腔室；储存腔室与变压腔室连通。

作为优选，所述的喷射口呈锥形，且由内至外截面积逐渐增大。

作为优选，所述振动基板层的材料采用超弹镍钛合金。

作为优选，当振动层受到激励信号时带动振动基板层进行往复振动，振动基板层的中心振动部的中部远离输入流道时，堵塞层与输入流道分离，同时，中心振动部的边缘处抵住O型密封圈，此时振动基板层的变形使得变压腔室的容积增大，且与输入流道连通，与输出流道隔断，外界流体被吸入输入流道和变压腔室。同时，输出流道的容积减小，将内部流体从喷射口喷出，形成推进力。

当振动基板层的中心振动部的中部靠近输入流道时，堵塞层抵住输入流道，同时，中心振动部的边缘处与O型密封圈分离，此时振动基板层的变形使得变压腔室的容积减小，且与输出流道连通，与输入流道隔断，变压腔室内的流体输送到输出流道中。

作为优选，所述的壳体层和喷出口的材质均为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或混合物。

第二方面，本发明提供一种水下机器人，其尾端安装有一个或多个前述的压电脉冲推动器；通过控制压电脉冲推动器的输入电压和频率，调整压电脉冲推动器的推进力。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明中，压电振子负位移时，振子径向边缘首先与密封环紧密贴合，振子中心远离复合合金层，变压腔室体积变大，由于负压吸入流体，输出流道体积变小，喷射流体；压电振子正位移时，振子中心首先与复合合金层入流孔紧密贴合，振子径向边缘远离密封环，变压腔室内流体受迫进入输出流道，补充输出流道在压电振子负位移时损失流体，为下一次喷射提供流体；周而复始的高频震动，实现流体的脉冲喷射，从而实现流体的单向高质量流量输送。

2、本发明通过将压电材料的形状从圆片状改为花瓣状，相对圆形减小了压电材料表面积和体积，在工作过程中，其单位时间多晶体内原子错位运动频次减小，相较于同直径的圆片形压电材料，热损耗大幅减小。

3、本发明将压电振子的振动基板材料用超弹镍钛合金替代，其弹性系数相较于传统的不锈钢合金，有着显著提升，受力马上变形，不受力马上恢复原状。在受到同等作用力的情况下，引起的弹性形变更大，一个周期内所吸入及排出的流体体积更大，可实现大流量的流体传输。

附图说明

图1为本发明提供的压电脉冲推动器的结构示意图，100为压电脉冲推动器的进流层，101为进流层通过机械切割形成的第一流通路，102为复合合金层通过机械切割形成的第二流通路，103为固定在进流层上的复合合金层，104为固定在振动基板层下的堵塞层，105为固定在复合合金层上的O型密封圈，106为固定在堵塞层上的振动基板层，107为固定在振动基板层上的振动层，109为固定振动基板层上的壳体层，110为壳体层通过机械切割形成的第三流通路，111为喷射口。

图2为本发明中进流层的立体图，100为进流层，112为进流层上的第一流通口的流体流入口，113为进流层上的第一储存腔室；

图3为进流层的俯视图，100为进流层，112为进流层上的第一流通口的输入口，113为进流层上的第一储存腔室。

图4为本发明中复合合金层的立体图，103为复合合金层，114为复合合金层上的第二储存腔室，115为复合合金层的第二流通路的流体流入口；

图5为本发明中O型密封圈的立体图，105为O型密封圈。

图6为本发明中O型密封圈的俯视图，105为O型密封圈。

图7为本发明中振动基板层和堵塞层的立体图，104为堵塞层，106为振动基板层，116为振动基板层上的连接件；

图8为本发明中采用花瓣状压电片的振动层的立体图，107为振动层；

图9为本发明中上电极层的立体图，108为上电极层；

图10为本发明中壳体层的立体图，109为壳体层，111为喷射口；

图11为本发明中壳体层的俯视图，109为壳体层，111为喷射口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种高质量流量的压电脉冲推动器，包括依次叠置的进流层100、复合合金层103、振动基板层106、振动层107、上电极层108和壳体层109，以及位于复合合金层103与振动基板层106之间的堵塞层104和O型密封圈105。

如图2和3所示，进流层100上开设有第一流通路101；复合合金层103上开设有第二流通路102。第一流通路101和第二流通路102对接在一起，形成输入流道。第一流通路101包括通流腔和九个进液口。各进液口均与通流腔连通；通流腔与第二流通路102连通。

振动基板层106包括边缘固定部、连接件116和中心振动部。中心振动部设置在边缘固定部的中心孔内，并与中心振动部的中心孔边缘通过连接件116连接。连接件116为具有弹性且非直线的金属条，允许中心振动部相对于边缘固定部上下振动。振动层107采用压电材料，其固定在中心振动部远离复合合金层103的一侧，用于驱动中心振动部及进行上下往复振动。振动层107呈花瓣状，包括一体成型的中心压电片和沿中心压电片的周向均布的四片分支压电片。相邻的分支压电片间隔设置；分支压电片的主体部分由内至外组件增大，且外端端部呈圆弧状。

边缘固定部的厚度大于中心振动部的厚度，使得初始状态下的中心振动部与复合合金层103之间留有间隙。堵塞层104固定在中心振动部靠近复合合金层103的一侧，并抵住第二流通路102的输出端。O型密封圈105固定在复合合金层103上，且位于复合合金层103与振动基板层106之间，环绕堵塞层104。O型密封圈105与堵塞层104之间的空隙形成变压腔室；

进流层100上开设有环绕在第一流通路101周围的多个第一储存腔室113；复合合金层103上开设有环绕在第二流通路102周围的多个第二储存腔室；各第一储存腔室113与各第二储存腔室分别连接；各第二储存腔室均与变压腔室连通，起到增大变压腔室容积，提高输出流量的作用。

壳体层109的中心位置设置有第三流通路110。壳体层109的第三流通路110输出口设置有喷射口111。喷射口111由内至外逐渐增大。上电极层108内设置有流通路；上电极层108和壳体层109中的流通路形成输出流道。上电极层108与振动基板层106之间设置有绝缘隔层。上电极层108内设置有供电触线；供电触线的一端与上电极层108连接，另一端与振动层107远离振动基板层106的侧面的波节处焊接。外部供电接口的两极与上电极层108、复合合金层103分别电连接，由此形成“电源——上电极层108——振动层107——振动基板层106(堵塞层104)——复合合金层103——电源”的闭合回路，实现对振动层107供电。

当振动层107受到前半个激励信号时，其带动振动基板层106的中心振动部的中部向上运动，堵塞层104与第二流通路102分离，同时，中心振动部的边缘处向下运动并抵住O型密封圈105，此时振动基板层106的变形使得变压腔室的容积增大，且与输入流道连通，与输出流道隔断，外界流体被吸入输入流道和变压腔室。输出流道中的流体收迫从喷射口喷出，形成推进力。

当振动层107受到后半个激励信号时，其带动振动层107带动振动基板层106的中心振动部的中部向下运动时，堵塞层104抵住第二流通路102，同时，中心振动部的边缘处向上运动，与O型密封圈105分离，此时振动基板层106的变形使得变压腔室的容积减小，且与输出流道连通，与输入流道隔断，变压腔室内的流体输入到输出流道。因此，向振动层107输入周期性交变电压，即可使得流体在腔体内的单向传输，在喷射口处持续产生向后的推进力，进而实现微型水下机器人的驱动。

该高质量流量的压电脉冲推动器的工作原理如下：

振动基板层106与振动层107组成压电振子，利用压电材料的逆压电效应(当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失)可以使振动层做周期性的往复运动，从而改变变压腔室内的压强，与输入流道、输出流道形成压力差推动流体的定向流动。

给电极层108与复合合金层103施加20V、一阶谐振频率、相位差180°的矩形波信号，环境中的流体持续从输入流道进入变压腔室，并从输出流道向后喷出，持续形成推进力。

在图1-11中，部分标号的含义及其具体限定如下：

100为压电脉冲推动器的进流层，位于整个压电脉冲推动器的最底层，材料可以是不锈钢、铜、银、铝、铝合金等中的一种或任意组合，进流层的长度为5mm-30mm(优选20mm)，厚度为0.5mm-2mm(优选1mm)。

101为进流层的第一流通路，进流层有9个进液口，进液口的孔径为0.5mm-2mm(优选1.5mm)。

102为复合合金层的第二流通路，流通路的孔径为1mm-4mm(优选2mm)。

103为在进流层上的复合合金层，同时作为下电极层，材料可以是镍、钛、铬中的一种或多种，厚度小于1mm通过硅粘结剂或双面胶带与进流层相粘结。

104为堵塞层，通过将振动基板层朝远离进流层的方向研磨10um-100um(优选50um)。

105是固定在复合合金层上的O型密封圈。

106为振动基板层，材料是超弹镍钛合金或弹性系数高的金属，厚度为100um-500um(优选300um)，通过粘结剂与复合合金层相连。

107为振动基板层上的振动层，材料可以是压电材料，具体可以选用氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅，厚度为50um-200um(优选100um)，通过粘结剂与振动层相连。

108为上电极层，材料可以是材料可以为钼，金，铂，铜，铝，银，钛，钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为500-200nm(优选100um)，四周通过硅粘结剂与振动基板层相连，供电端子通过液态锡浆焊接于振动层的波节处。

109为壳体层，材料可以是硬度系数高的材料的一种或其任意组合，具体可以选用玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种。

110为壳体层通过研磨形成的第三流通路。

111为壳体上的喷出口，材料可以是硬度系数高的材料的一种或其任意组合，具体可以选用玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种。

112为进流层上的第一流通路进液口。

113为进流层上的第一储存腔室。

114为复合合金层上的第二储存腔室。

115为复合合金层上的第二流通路的流体流入口。

116为振动基板层上的连接件，起到类似弹簧的作用。

实施例2

一种水下机器人，尾端安装有一个或多个如实施例1所述的压电脉冲推动器；通过控制压电脉冲推动器的输入电压和频率，调整压电脉冲推动器的推进力。

Claims (10)

1.一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：包括依次叠置的进流层（100）、复合合金层（103）、振动基板层（106）、振动层（107）、上电极层（108）和壳体层（109），以及位于复合合金层（103）与振动基板层（106）之间的堵塞层（104）和O型密封圈（105）；

所述的进流层（100）和复合合金层（103）内开设有输入流道；振动基板层（106）包括边缘固定部、连接件（116）和中心振动部；中心振动部设置在边缘固定部的中心孔内，并与中心振动部的中心孔边缘通过连接件（116）连接；中心振动部能够相对于边缘固定部发生振动；采用压电材料的振动层（107）固定在中心振动部远离复合合金层（103）的一侧；中心振动部与复合合金层（103）之间留有间隙；堵塞层（104）固定在中心振动部靠近复合合金层（103）的一侧；O型密封圈（105）设置在复合合金层（103）与振动基板层（106）之间；O型密封圈（105）与堵塞层（104）之间的空隙形成变压腔室；

所述壳体层（109）和上电极层（108）的内腔形成输出流道；输出流道的输出端设置有喷射口（111）；上电极层（108）与振动基板层（106）之间设置有绝缘隔层；上电极层（108）内设置有供电触线；供电触线的一端与上电极层（108）连接，另一端与振动层（107）远离振动基板层（106）的侧面的波节处电连接；振动层（107）的两极分别通过上电极层（108）和复合合金层（103）引出。

2.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述输入流道的输入端通过相互独立的多个进液口与外界环境连通。

3.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述的振动层（107）呈花瓣状，包括一体成型的中心压电片和沿中心压电片的周向均布的四片分支压电片；相邻的分支压电片间隔设置；分支压电片的主体部分由内至外组件增大，且外端端部呈圆弧状。

4.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述边缘固定部的厚度大于中心振动部的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述的进流层（100）和复合合金层（103）中设置有一个或多个储存腔室（113）；储存腔室（113）与变压腔室连通。

6.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述的喷射口（111）呈锥形，且由内至外截面积逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述振动基板层的材料采用超弹镍钛合金。

8.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：当振动层（107）受到激励信号时带动振动基板层（106）进行往复振动，振动基板层（106）的中心振动部的中部远离输入流道时，堵塞层（104）与输入流道分离，同时，中心振动部的边缘处抵住O型密封圈（105），此时振动基板层（106）的变形使得变压腔室的容积增大，且与输入流道连通，与输出流道隔断，外界流体被吸入输入流道和变压腔室；

当振动基板层（106）的中心振动部的中部靠近输入流道时，堵塞层（104）抵住输入流道，同时，中心振动部的边缘处与O型密封圈（105）分离，此时振动基板层（106）的变形使得变压腔室的容积减小，且与输出流道连通，与输入流道隔断，变压腔室内的流体经输出流道后，从喷射口喷出，形成推进力。

9.根据权利要求1所述的一种高质量流量的压电脉冲推动器，其特征在于：所述的壳体层（109）和喷射口（111）的材质均为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或混合物。

10.一种水下机器人，其特征在于：尾端安装有一个或多个如权利要求1至9中任意一项所述的压电脉冲推动器；通过控制压电脉冲推动器的输入电压和频率，调整压电脉冲推动器的推进力。

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