CN114640270A - 一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，属于压电泵技术领域。包括压电驱动机构和双腔隔膜泵；压电驱动机构包括第一级位移放大机构、第二级位移放大机构、压电堆栈、一对质量块和一对附加质量块。第一级位移放大机构包括菱形放大环，压电堆栈固定设于菱形放大环的一对输入端之间；第二级位移放大机构包括反相放大杆，反相放大杆为H形杆，其中中部为竖梁，两侧边为一对驱动臂；双腔隔膜泵固定安装于一对驱动臂的腰形孔处。本发明一方面解决了位移放大机构存在的支撑底座设计困难、振动能量浪费严重的问题，另一方面有效增大压电堆栈输出位移放大倍数，提升了泵的输出性能。

Description

一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，具体涉及一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵。

背景技术

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，但是只能产生相对较小的振动变形且驱动力小，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，压电堆栈作为驱动器具有频率响应快、输出力大等优点，然而其最大的缺点是输出位移小（通常为其自身长度的0.15%），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。

目前主要使用菱形放大机构和杠杆放大机构放大压电堆栈的位移。菱形放大机构对称性好，无耦合运动，结构紧凑，压电堆栈两端产生的位移同时作用在放大机构上，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。杠杆放大机构结构灵活，放大倍数高，但是耦合运动严重，在使用杠杆放大机构时，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。菱形放大机构和杠杆放大机构单独使用时，其位移放大的倍数通常只有2~6倍，对压电堆栈的输出位移放大效果有限，难以产生较大的泵腔体积变化以获得高性能的压电泵。

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、以及单个位移放大机构对压电堆栈的位移放大倍数有限等问题，本发明提供一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵。

一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵包括压电驱动机构1和双腔隔膜泵5；

所述压电驱动机构1包括第一级位移放大机构、第二级位移放大机构、压电堆栈4、一对质量块13和一对附加质量块14；

所述第一级位移放大机构包括菱形放大环2，菱形放大环2的两个水平对角为一对输入端17，菱形放大环2的两个垂直对角为一对输出端18，菱形放大环2的四条边为柔性斜边梁19；所述压电堆栈4固定设于菱形放大环2的一对输入端17之间；

所述第二级位移放大机构包括反相放大杆3为横置的H型杆，H型杆的中部为竖梁6，两条水平杆为一对驱动臂10；竖梁6一侧的一对驱动臂10上对应开设有腰形孔11；

所述菱形放大环2位于竖梁6另一侧的一对驱动臂10内；一对质量块13固定设于竖梁6另一侧的一对驱动臂10的两个负载端，且一对质量快13向内向相对应；一对附加质量块14固定设于一对质量块13的外侧；

所述双腔隔膜泵5通过螺栓设于一对驱动臂10内的腰形孔11处；

当压电堆栈4施加带偏置电压的交流电时，压电堆栈4沿高度方向产生往复伸缩变形，驱动反相放大杆3的一对驱动臂10的负载端产生相向往复摆动，实现驱动双腔隔膜泵5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的一阶弯曲谐振频率时，一对驱动臂10在往复摆动的同时，产生大幅度的弯曲变形，实现提高双腔隔膜泵5的输出性能。

进一步的技术方案如下：

所述一对驱动臂10包括上驱动臂102和下驱动臂101，竖梁6一侧的上驱动臂102和下驱动臂101上分别开设有腰形孔11。

所述菱形放大环2和反相放大杆3的材料均为金属，且表面均涂覆有绝缘漆。

所述压电堆栈4为多层的压电陶瓷，且沿厚度方向极化；所述压电堆栈4的侧面通过电极引线27连接着带偏置电压的交流电源。

所述压电堆栈4的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。

所述双腔隔膜泵5为层叠式隔膜泵。

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）本发明的二级驱动压电堆栈泵的压电驱动器采用二级驱动结构，可以大大提高压电堆栈位移的放大倍数。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；其工作状态为准静态，或一阶弯曲谐振模态；在一阶弯曲谐振模态下，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拆卸的隔膜泵，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）本发明采用二级放大，该压电驱动器能够放大压电堆栈的输出位移提高放大效率，该机构的运动再现性高，应用广泛。经过ANSYS有限元仿真，可计算出此压电驱动器可实现4~8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为菱形放大环的变形示意图。

图4为对称反相放大杆的变形示意图。

图5为隔膜泵安装位置远离驱动臂根部时的示意图。

图6为隔膜泵安装位置靠近驱动臂根部时的示意图。

图7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8为当带偏置电压的交流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9为当带偏置电压的交流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10为当带偏置电压的交流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11为当带偏置电压的交流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12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。

图1至图12中序号：压电驱动机构1、菱形放大环2、反相放大杆3、压电堆栈4、双腔隔膜泵5、竖梁6、柔性铰链7、固定平板8、螺栓9、腰形孔11、固定螺栓12、质量块13、附加质量块14、螺栓15、氧化铝薄片16、输入端17、输出端18、柔性斜边梁19、连接器20、泵腔隔膜21、泵腔22、进口流道23、出口流道24、进口单向阀阵列25、出口单向阀阵列26、电极引线27、下驱动臂101、上驱动臂102、上腔连接器201、下腔连接器202、上腔隔膜211、下腔隔膜212、上腔221、下腔222、上腔进口单向阀阵列251、下腔进口单向阀阵列252、上腔出口单向阀阵列261、下腔出口单向阀阵列262。

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1，一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵包括压电驱动机构1和双腔隔膜泵5。双腔隔膜泵5为层叠式隔膜泵。

参见图2，压电驱动机构1包括第一级位移放大机构、第二级位移放大机构、压电堆栈4、一对质量块13和一对附加质量块14。

参见图3，第一级位移放大机构包括菱形放大环2，菱形放大环2的两个水平对角为一对输入端17，菱形放大环2的两个垂直对角为一对输出端18，菱形放大环2的四条边为柔性斜边梁19。压电堆栈4通过氧化铝薄片16固定安装于菱形放大环2的一对输入端17之间，见图2。

压电堆栈4由十层以上的压电陶瓷组成，且沿厚度方向极化；压电堆栈4的侧面通过电极引线27连接着带偏置电压的交流电源，见图5和图6。

参见图4，第二级位移放大机构包括反相放大杆3为横置的H型杆，H型杆的中部为竖梁6，两条水平杆为一对驱动臂10；一对驱动臂10包括上驱动臂102和下驱动臂101，竖梁6负载一侧的上驱动臂102和下驱动臂101上分别开设有腰形孔11。双腔隔膜泵5通过螺栓固定安装于腰形孔11处的一对驱动臂10内。

参见图2，菱形放大环2的一对输出端18通过柔性铰链7连接着的一对固定平板8固定安装于竖梁6另一侧的一对驱动臂10内；一对质量块13固定设于竖梁6一侧的一对驱动臂10的两个负载端；一对附加质量块14固定安装于一对质量块13的外侧。

菱形放大环2和反相放大杆3的材料均为金属，且表面涂覆有绝缘漆。

菱形放大环2的长度为20mm、高度为15mm、宽度为10mm。反相放大杆3的长度为60mm、宽度为20mm、高度为27mm。直梁6的长度即为反相放大杆3的高度，为27mm、宽度为20mm、厚度沿反相放大杆3的长度方向，为2.5mm。驱动臂10的长度为60mm、宽度为20mm、厚度沿反相放大杆3的高度方向，为2.5mm。质量块11的长度沿反相放大杆3的高度方向为10mm、宽度为20mm、高度沿反相放大杆3的长度方向，为2.5mm。压电堆栈4的高度为10mm、宽度为7mm、长度为7mm。附加质量块14的长度沿反相放大杆3的高度方向，为10mm，宽度为20mm，高度沿反相放大杆3的长度方向，为5mm。

参见图5和图6，调节双腔隔膜泵5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。

参见图7，压电驱动器1的输出位移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4接触处对菱形放大环2施加压电堆栈标称位移，并对腰形孔11处作驱动臂向摆动方向上的位移输出监测，可计算出腰形孔11沿驱动臂方向上的仿真放大倍数；同理，由菱形放大环2斜边角度可以计算出理论放大倍数，对于反相放大杆3中由三角形的相似比可计算出的理论放大倍数，从而计算出压电驱动机构1的理论放大倍数。

参见图8，双腔隔膜泵5包括两个独立的泵腔22，分别为上腔221和下腔222，对应的上腔隔膜211和下腔隔膜212，上腔进口单向阀阵列251、下腔进口单向阀阵列252和上腔出口单向阀阵列261、下腔出口单向阀阵列262，拥有共用的进口流道23和出口流道24。

本发明压电堆栈泵的工作原理详细叙述如下：

参见图8和图9，当给压电堆栈4施加带偏置电压的交流电源时，压电堆栈4沿高度方向产生往复伸缩变形，从而使菱形放大环2的柔性斜边梁19产生上下伸缩变形，由一对连接螺栓9连接的反相放大杆3的一对驱动臂10的负载端产生相向往复摆动，驱动双腔隔膜泵5连续泵送流体。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202和上腔连接器201分别传递至下腔隔膜212和上腔隔膜211，使泵腔隔膜21产生弹性振动变形，进而使下腔222和上腔221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202和上腔连接器201使下腔隔膜212和上腔隔膜211向泵腔22外部变形，下腔222和上腔221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251和下腔进口单向阀阵列252开启，上腔出口单向阀阵列261和下腔出口单向阀阵列262关闭，流体从进口流道23分别通过上腔进口单向阀阵列251和下腔进口单向阀阵列252流入上腔221和下腔222，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202和上腔连接器201使下腔隔膜212和上腔隔膜211向泵腔22内部变形，下腔222和上腔221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251和下腔进口单向阀阵列252关闭，上腔出口单向阀阵列261和下腔出口单向阀阵列262开启，流体分别从上腔221和下腔222通过上腔出口单向阀阵列261和下腔出口单向阀阵列262流出出口流道24，即排出流体过程。

参见图8，当带偏置电压的交流电源的激励电压上升时，压电堆栈4沿高度方向伸长，使菱形放大环2上下扩张变形并且驱动一对驱动臂10向外侧摆动，此时双腔隔膜泵5处于吸入流体过程。

参见图9，当带偏置电压的交流电源的激励电压下降时，压电堆栈4沿高度方向缩短，使菱形放大环2上下收缩变形，并且驱动一对驱动臂10的负载端向内侧摆动，此时双腔隔膜泵5处于排出流体过程。

参见图8和图9，当带偏置电压的交流电源的激励频率远低于压电驱动机构1的一阶弯曲谐振频率时，即压电驱动机构1在准静态工作时，压电堆栈4通过对菱形放大环2和反相放大杆3的二级驱动使反相放大杆3的一对驱动臂10的负载端作相向往复摆动，从而驱动与其连接的双腔隔膜泵5在准静态连续泵送流体。

参见图10和图11，当带偏置电压的交流电源的激励频率接近压电驱动机构1的一阶弯曲谐振频率时，即压电驱动机构1在其一阶弯曲谐振模态工作时，压电堆栈4通过对菱形放大环2和反相放大杆3的二级驱动使反相放大杆3的一对驱动臂10的负载端作相向往复摆动，同时反相放大杆3的一对驱动臂10产生一阶弯曲变形，从而可以增大与其连接的双腔隔膜泵5的上腔隔膜211和下腔隔膜212的变形幅度，提高双腔隔膜泵5的输出性能。

带偏置电压的交流电源的驱动波形为交流正弦波、三角波或方波，当压电驱动机构1在一阶弯曲谐振模态工作时，驱动频率为其一阶弯曲谐振频率，或在该谐振频率附近一定范围内调整。压电驱动机构1的一阶弯曲谐振频率受被驱动负载包括上泵腔连接器201和下泵腔连接器202、上泵腔隔膜211和下泵腔隔膜212、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12，压电驱动机构1的一阶弯曲谐振频率，可以通过调节一对附加质量块14大小实现大范围调节。在实际使用中，可以通过调节一对附加质量块14高度的大小，使压电驱动机构1的谐振频率与双腔隔膜泵5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，压电驱动机构1和单向阀都达到最佳工作状态，从而使二级驱动压电堆栈泵的工作性能最佳；由于压电驱动机构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。

由于双腔隔膜泵5同时受到一对驱动臂10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，在实际应用中，只需夹持装置在双腔隔膜泵5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 (6)

1.一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：包括压电驱动机构（1）和双腔隔膜泵（5）；

所述压电驱动机构（1）包括第一级位移放大机构、第二级位移放大机构、压电堆栈（4）、一对质量块（13）和一对附加质量块（14）；

所述第一级位移放大机构包括菱形放大环（2），菱形放大环（2）的两个水平对角为一对输入端（17），菱形放大环（2）的两个垂直对角为一对输出端（18），菱形放大环（2）的四条边为柔性斜边梁（19）；所述压电堆栈（4）固定设于菱形放大环（2）的一对输入端（17）之间；

所述第二级位移放大机构包括反相放大杆（3）为横置的H型杆，H型杆的中部为竖梁（6），两条水平杆为一对驱动臂（10）；竖梁（6）一侧的一对驱动臂（10）上对应开设有腰形孔（11）；

所述菱形放大环（2）位于竖梁（6）另一侧的一对驱动臂（10）内；一对质量块（13）固定设于竖梁（6）另一侧的一对驱动臂（10）的两个负载端，且一对质量块（13）向内向相对应；一对附加质量块（14）固定设于一对质量块（13）的外侧；

所述双腔隔膜泵（5）通过螺栓设于一对驱动臂（10）内的腰形孔（11）处；

当压电堆栈（4）受带偏置电压的交流电激励时，压电堆栈（4）沿高度方向产生往复伸缩变形，驱动反相放大杆（3）的一对驱动臂（10）的负载端产生相向往复摆动，实现驱动双腔隔膜泵（5）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）的一阶弯曲谐振频率时，一对驱动臂（10）在往复摆动的同时，产生大幅度的弯曲变形，实现提高双腔隔膜泵（5）的输出性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：所述一对驱动臂（10）包括上驱动臂（102）和下驱动臂（101），竖梁（6）一侧的上驱动臂（102）和下驱动臂（101）上分别开设有腰形孔（11）。

3.根据权利要求1所述的一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：所述菱形放大环（2）和反相放大杆（3）的材料均为金属材料，且表面均涂覆有绝缘漆。

4.根据权利要求1所述的一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈（4）为十层以上的压电陶瓷组成，且沿厚度方向极化；所述压电堆栈（4）的侧面通过电极引线（27）连接着带偏置电压的交流电源。

5.根据权利要求4所述的一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：所述压电堆栈（4）的高度为5～50mm、宽度为3～20mm、长度为3～20mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于菱形环和对称反相放大杆的二级驱动压电堆栈泵，其特征在于：所述双腔隔膜泵（5）为层叠式隔膜泵。

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