CN116538057A - 基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，包括通过泵腔隔膜运动形成内部容积变化以泵送流体的隔膜泵以及与隔膜泵外壳相对固定的压电驱动机构；压电驱动机构还包括预紧装置和压电堆栈，压电驱动机构一端经柔性支撑板与固定架弹性连接；压电驱动机构的另一端与泵腔隔膜固定连接。该基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵通过对压电堆栈采用柔性支撑的方式，可以实现压电堆栈在较低频率范围的谐振驱动，极大提高了压电堆栈的驱动位移；且压电驱动机构的工作模态为一阶谐振模态，具有机械品质因子高、驱动性能高、工作可靠性好的优势。

Description

基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵

技术领域

本发明涉及压电堆栈泵技术领域，具体涉及一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵。

背景技术

压电泵是一种典型且常用的微型泵，它通过压电材料的逆压电效应使压电振子产生机械变形，从而驱动泵膜振动，使泵腔容积变化，进而实现流体泵送的功能。压电泵具有结构紧凑、功率密度高、响应速度快、控制精度高、无电磁干扰、噪声小等优点；其应用领域十分广泛，涉及航空航天、机器人、微机电工程、医疗器械、生物基因工程等行业。按照压电驱动方式的不同，压电泵可分为压电片式压电泵和压电堆栈式压电泵。在压电片式压电泵中，压电片产生的振动位移与驱动力较小，导致压电泵的输出性能有限。相比之下，压电堆栈式压电泵中压电堆栈可以产生的驱动力更大、响应频率更快、输出功率更大，但压电堆栈的输出位移较小(通常为自身长度的0.1％-0.2％)，因此需要将其位移放大，以增大泵腔的容积变化，从而提高压电泵的输出性能。

基于压电堆栈输出位移小、驱动力大、谐振频率高的特点，目前主要通过位移放大机构和谐振驱动的方式提高压电堆栈的输出位移。由于压电堆栈自身的谐振频率过高，因此压电泵无法在压电堆栈自身的谐振频率下工作；一方面是因为泵中单向阀的动态特性较差，在高频工作时存在严重的滞后性；另一方面压电堆栈的工作频率过高还将导致其自身的温度上升过高，一旦超过压电材料的居里温度，压电堆栈将因退极化而不能正常工作。采用位移放大机构可以成比例放大压电堆栈的输出位移、减小其驱动力，并能大幅度降低压电驱动机构的谐振频率，从而使压电驱动机构和隔膜泵之间的机械阻抗匹配特性和工作频率范围更加适配。在基于位移放大机构的谐振式压电堆栈泵中，位移放大机构的使用会影响压电泵整体结构的紧凑性，使压电驱动机构的谐振频率设计困难，并且位移放大机构对压电堆栈输出位移的放大效果远不及谐振驱动，这些都限制了压电堆栈泵在小型化和高效高功率化方向上的发展。因此必须设计具有良好低频工作特性的与隔膜泵的机械特性匹配良好的压电堆栈泵。

发明内容

针对现有的压电隔膜泵中压电振子的振动特性与隔膜泵的机械特性不匹配、压电隔膜泵难以小型化的问题，本发明提供一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵。

本发明的技术方案提供一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其包括:

隔膜泵，所述隔膜泵通过泵腔隔膜运动形成内部容积变化以泵送流体；

固定架，所述固定架固定在所述隔膜泵一侧；

压电驱动机构，所述压电驱动机构固定在所述固定架上，所述压电驱动机构包括压电堆栈，所述压电堆栈一端与所述泵腔隔膜固定连接，所述压电堆栈另一端与所述固定架弹性连接。

优选地，所述压电驱动机构还包括柔性支撑板，所述柔性支撑板包括由变形区连接的固定外框与振动平台，所述变形区具有弹性；所述固定外框与所述固定架固定连接，所述振动平台与所述压电堆栈固定连接。

优选地，所述固定架安装在所述隔膜泵的泵腔隔膜一侧，所述固定架中空，中空部份容置所述压电堆栈。

优选地，所述压电驱动机构还包括预紧装置，所述预紧装置包括分别设置在压电堆栈两端的固定端，两个所述固定端之间通过连接段弹性连接。

优选地，所述连接段在所述固定端之间呈折叠状连接所述固定端。

优选地，所述压电驱动机构包括柔性支撑板、预紧装置和压电堆栈；所述柔性支撑板通过底板和第二螺栓固定设于固定架的底部；所述预紧装置通过第三螺栓、垫片与柔性支撑板固定连接；所述压电堆栈通过氧化铝薄片固定设于预紧装置内部；所述隔膜泵通过第一螺栓固定设于固定架顶部，并通过第四螺栓与预紧装置连接。

优选地，所述柔性支撑板包括固定外框、振动平台以及连接固定外框和振动平台的四根折叠式柔性梁。

优选地，所述柔性支撑板、固定架和预紧装置的材料均为金属，其中预紧装置的表面可涂覆绝缘漆。

优选地，所述压电堆栈由十层以上的压电陶瓷组成，且沿厚度方向极化；所述压电堆栈的侧面通过电极引线连接着带偏置电压的交流电源。

优选地，所述压电堆栈的高度为5至50mm、宽度为3至20mm、长度为3至20mm。

本发明的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵使用压电驱动机构中弹性设置的压电堆栈驱动泵腔隔膜运动，进而实现对隔膜泵中流体的泵送任务。压电驱动机构的固有频率低至隔膜泵的工作频率区间内，能够实现泵腔隔膜与压电驱动机构的压电堆栈的振动特性的匹配。因此可以在工作时通过给予与压电驱动机构的固有频率基本相同的外部激励实现驱动系统大位移振动，使隔膜泵正常泵送流体。由于工作状态下系统运行在固有频率下，具有最大位移，等效于起到了位移放大效果，因此可以满足泵腔隔膜的工作行程要求。

本发明的压电驱动机构通过对压电堆栈采用柔性支撑的方式，可以实现压电堆栈在较低频率范围的谐振驱动，极大提高了压电堆栈的驱动位移；且压电驱动机构的工作模态为一阶谐振模态，具有机械品质因子高、驱动性能高、工作可靠性好的优势。

本发明的压电驱动机构中柔性支撑板的刚度可通过改变柔性梁的弯曲折叠方式、梁的宽度和厚度，以及加工材料等进行设计调整，进而可以大幅度调节压电驱动机构的一阶谐振频率，以便于和隔膜泵的最佳工作频率匹配，使压电泵的工作性能达到最佳。

本发明的压电驱动机构无需采用传统的位移放大机构，结构紧凑、易于设计和加工；压电堆栈固定设于预紧装置内，和固定架之间采用柔性连接，可以有效隔离振动位移向外界扩散，降低振动能量的浪费。

本发明采用可拆卸结构设计，具有可循环利用的压电驱动机构和可拆卸的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本。

附图说明

图1为本发明的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵的总体示意图；

图2为本发明的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵的爆炸示意图；

图3为本发明的压电驱动机构的示意图；

图4为本发明的压电驱动机构的原理示意图；

图5为本发明的柔性支撑板的实施例示意图；

图6、7、8为本基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵的原理示意图。

图中，

1:压电驱动机构2:底板3:柔性支撑板4:固定架5:隔膜泵6:第一螺栓7:第二螺栓8:预紧装置9:氧化铝薄片10:压电堆栈11:第三螺栓12:垫片13:螺母14:第四螺栓15:圆垫片16:泵腔隔膜17:泵腔18:进口单向阀阵列19:出口单向阀阵列20:进口流道21:出口流道22:可压缩腔23:电极引线24:压电堆栈和预紧装置的质心31:固定外框32:柔性梁33:振动平台

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

图1为本发明的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵的总体示意图。图2为该基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵的装配爆炸示意图。该基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵包括一个通过泵腔隔膜16运动形成内部容积变化以泵送流体的隔膜泵5以及与隔膜泵外壳相对固定的压电驱动机构1。固定架4固定在隔膜泵5一侧；压电驱动机构1固定在固定架4上。压电驱动机构1包括压电堆栈10，压电堆栈10一端与泵腔隔膜16固定连接，压电堆栈10另一端与固定架4弹性连接。压电堆栈10连接外部带偏置电压U1的交流电源。压电驱动机构1的固有频率只与系统质量与系统刚度有关。谐振发生后，压电堆栈10驱动泵腔隔膜16振动引起隔膜泵5的内部容积变化实现流体泵送作业。压电堆栈10与固定架4之间的弹性连接通过柔性支撑板3实现。柔性支撑板3包括由柔性梁32连接的固定外框31与振动平台33。柔性梁32具有弹性以维持固定外框31与振动平台33之间的弹性连接。固定外框31与固定架4固定连接，振动平台33与压电堆栈10固定连接。

压电堆栈10在150V幅值的交流激励下，其振动位移仅仅20-60微米，该位移完全无法驱动泵腔隔膜16。但是由于柔性支撑板3的存在，使系统的刚度降低，极大地降低了振动系统的一阶固有频率，使一阶固有频率降低至隔膜泵5的工作频率范围内。交流电源的激励频率设置为与振动系统的一阶固有频率相同或者在该一阶固有频率附近调整。在交流激励的驱动下，振动系统以该一阶固有频率振动，此时振动系统具有最大振幅，即泵腔隔膜16具有最大位移，隔膜泵5的容积变化达到最大，隔膜泵5的泵送效率最高。换言之，由于实现了对该振动系统的一阶固有频率相较于压电堆栈的固有频率的极大降低，具有该振动系统的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵做到了以下两点：一是其一阶固有频率下降至隔膜泵5的工作频率范围内，使两者匹配工作时，压电堆栈10所在的振动系统工作在一阶固有频率下存在可能；二是由于振动系统工作在一阶振动频率下其实现了最大位移输出，相较于在隔膜泵5的工作频率范围内仅使用压电堆栈10激发振动，由于远离压电堆栈10的固有频率，压电堆栈10仅能发生微米级位移，对驱动隔膜泵5不具有实用意义，本基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵通过该振动系统实现了压电堆栈10位移的具有数量级程度的放大，从而可以实际用于驱动泵腔隔膜16。

具体的，如图6所示，基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵设置有隔膜泵5，隔膜泵5为一容积可变的层叠式隔膜泵，在其一侧端面安装有可以变形振动的泵腔隔膜16。在泵腔隔膜16的移动下，由其与壳体形成的容积周期性的变化再配合流体出口与流体入口处安装的单向阀实现推动液体流动。在隔膜泵5的安装有泵腔隔膜16的一侧固定一固定架4，固定架4经螺纹连接与隔膜泵5固定。固定架4中空，其中空部份被用于容置压电堆栈10。压电堆栈10远离隔膜泵5的一端安装柔性支撑板3，柔性支撑板3一端固定于固定架4上，另一端固定于压电堆栈10上。柔性支撑板3具有弹性，使固定架4与压电堆栈10之间弹性连接。可选的在柔性支撑板3相对固定架4的另一侧安装有底板2，底板2具有用于避让柔性支撑板3的弹性结构的镂空空间。以上设计中，固定架4首先用于对压电堆栈10的安装支撑，同时用于容置并防护压电堆栈10，以压缩压电驱动机构1整体的空间占用。底板2是优选的，其首先是作为基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵整体安装时的安装座，此外其上开设的镂空空间则提供了振动系统位移的空间，换言之，在底板2固定于某一安装面后，由于其上镂空空间的存在，压电堆栈10所在的振动系统才存在沿着轴向在镂空空间内振动的可能。

图5为柔性支撑板3的多个实施例的示意图。其包括固定于压电堆栈10上的振动平台33，用于固定压电驱动机构1的固定外框31以及连接固定外框31与振动平台33的变形区。变形区包括围绕振动平台33设置的多个呈条带状连接于固定外框31与振动平台33之间的柔性梁32。柔性梁32优选在固定外框31与振动平台33之间形成折叠以扩大柔性梁32的长度并降低其刚度，从而降低压电驱动机构1整体的系统刚度，同时保证振动平台33具有足够的许用位移，供压电堆栈10沿轴向振动。为了在垂直于压电堆栈10的振动方向的平面内平衡压电堆栈10的受力，以使得压电堆栈10不发生振动方向之外的位移，柔性梁32至少设置两组，并环绕压电堆栈10均布。

具体而言，图5(A)为第一实施例的示意图，直条状的柔性梁32分布在振动平台33的周向并连接至固定外框31，由于柔性梁32直线连接固定外框31与振动平台33，这会造成在振动平台33振动时，柔性梁32主要受拉压作用，因此会造成较大的振动阻力，导致振动位移难以提升，振动频率降低有限，此外该设计中振动时的受力仅分布在四个柔性梁32，导致单个柔性梁32的受力较大，容易在连接处产生应力集中，导致柔性支撑板3的寿命降低。图5(B)中的实施例中柔性梁32呈弯曲状，一方面延长了柔性梁32的长度，另一方面错开了作用力的方向，能够使柔性梁32上的拉压受力部分地转为扭转受力，从而降低柔性梁32的刚度和应力集中，降低其对振动平台33的运动阻碍并延长其使用寿命。

基于这样的构思，图5(C)为本发明的柔性梁32的最优实施例，其一方面满足了刚度要求，使得整体的振动频率降低到要求的范围内，另一方面大幅延长了柔性梁32的长度并且在柔性梁32上设置了多次折叠，这有利于在振动平台33振动时分担由于振动平台33位移造成的柔性梁32的扭转，延长了柔性支撑板3的使用寿命，同时也最小化了对振动平台33的位移的影响。图5(D)为本发明的又一实施例，由于其柔性梁32的长度与弯折次数不同，其刚度与应力的适配难以企及图5(C)。

压电堆栈10由多片压电陶瓷堆叠而成，每片压电陶瓷均沿着厚度方向极化。其数量可以视情况调整，较少时可以压缩系统体积，较多时可以增大压电堆栈10的位移。优选地，压电驱动机构1可以使用图3的结构。在压电堆栈10上固设有预紧装置8，其与压电堆栈10相对固定，且通常为金属材料，预紧装置8可以使压电堆栈10在变形时一直处于压缩状态，避免压电堆栈10因拉伸而损坏；预紧装置8的质量也可以起到降低振动系统固有频率的作用。通过合适质量的预紧装置8配合压电堆栈10可以在整体空间有限的情况下将振动系统的固有频率调控至1000Hz以下，因此可以匹配隔膜泵5的工作频率。预紧装置8包括设置在压电堆栈10两端的固定端以及连接两固定端的连接段。连接段与固定端形成的空间内固设压电堆栈10，连接段为图示的具有凹槽阵列的薄壳结构，多个薄壳凹槽沿着压电堆栈10的轴向布置。凹槽结构实现了连接段在有限空间内的折叠，从而能够使连接段具有弹性并在振动下可以承受压电堆栈10引起的振动变形。图中仅仅示出了矩形凹槽的结构，凹槽的形状并不限于图示结构，也可以使用如波纹槽等其他结构。对压电堆栈10、预紧装置8以及泵腔隔膜16组成的振动系统的模态分析结果显示，该振动系统的前三阶谐振频率均低于1000Hz，其中第一阶振动频率为本基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵所需的上下方向的振型，其谐振频率为600Hz左右。

本发明的详细工作原理如图7和图8所示。当给压电堆栈10施加带偏置电压U1的交流电源激励时，压电堆栈10沿高度方向产生往复伸缩变形，压电堆栈10和预紧装置8的质心在高度方向往复移动，并将产生惯性力作用于柔性支撑板3，使柔性支撑板3的柔性梁32产生上下弯曲变形，从而带动预紧装置8和压电堆栈10整体上下振动。预紧装置8和压电堆栈10的上下振动可通过螺栓和圆垫片传递至泵腔隔膜16，使泵腔隔膜16产生弹性振动变形，进而使泵腔的密封体积周期性变化，进而驱动与预紧装置8连接的泵腔隔膜16连续泵送流体。

参见图1，一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵包括压电驱动机构1和隔膜泵5。隔膜泵5为层叠式隔膜泵。参见图1和图2，压电驱动机构1包括柔性支撑板3、预紧装置8和压电堆栈10。柔性支撑板3通过底板2和第二螺栓7固定设于固定架4的底部；预紧装置8通过第三螺栓11、垫片12与柔性支撑板3固定连接；压电堆栈10通过氧化铝薄片9预紧固定设于预紧装置8内部。参见图2和图3，柔性支撑板3包括固定外框31、振动平台33以及连接固定外框31和振动平台33的四根折叠式柔性梁32。参见图1和图2，隔膜泵5通过第一螺栓6固定设于固定架4顶部，并通过第四螺栓14与预紧装置8连接。参见图3和图4，压电堆栈10由十层以上的压电陶瓷组成，且沿着厚度方向极化；压电堆栈10的侧面通过电极引线23连接着带偏置电压的交流电源。参见图5，压电驱动机构中柔性支撑板3的刚度可通过改变柔性梁32的弯曲折叠方式进行设计调整，进而可以大幅度调节压电驱动机构1的一阶谐振频率，以便于和隔膜泵5的最佳工作频率匹配，使压电泵的工作性能达到最佳。参见图6，隔膜泵5包括泵腔隔膜16、泵腔17、进口单向阀阵列18、出口单向阀阵列19、进口流道20、出口流道21、可压缩腔22。

本发明的详细工作原理叙述如下：

参见图4、图7和图8，当给压电堆栈10施加带偏置电压U1的交流电源激励时，压电堆栈10沿高度方向产生往复伸缩变形，使预紧装置8沿高度方向产生上下伸缩变形，压电堆栈10和预紧装置8的质心24在高度方向往复移动，并将产生惯性力作用于柔性支撑板3，使柔性支撑板3的柔性梁32产生上下弯曲变形，从而带动压电堆栈10和预紧装置8整体上下振动。压电堆栈10和预紧装置8的上下振动可通过螺栓14和圆垫片15传递至泵腔隔膜16，使泵腔隔膜16产生弹性振动变形，进而使泵腔17的密封体积周期性变化，进而驱动与预紧装置8连接的隔膜泵5连续泵送流体。参见图7，当激励电压U1上升时，压电堆栈10和预紧装置8的质心24将相对于柔性支撑板3在高度方向向上移动，产生方向向下的惯性力作用于柔性支撑板3，使柔性支撑板3的柔性梁32产生向下的弯曲变形，带动压电堆栈10和预紧装置8整体沿高度方向向下移动；预紧装置8向下移动时，将带动泵腔隔膜16向下移动，泵腔17的密封体积变大，压强变小，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列18开启，出口单向阀阵列19关闭，流体从进口流道20通过进口单向阀阵列18流入泵腔17，即吸入流体的过程。参见图8，当激励电压U1下降时，压电堆栈10和预紧装置8的质心24将相对于柔性支撑板3在高度方向向下移动，产生方向向上的惯性力作用于柔性支撑板3，使柔性支撑板3的柔性梁32产生向上的弯曲变形，带动压电堆栈10和预紧装置8整体沿高度方向向上移动；预紧装置8向上移动时，将带动泵腔隔膜16向上移动，泵腔17的密封体积变小，压强变大，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列18关闭，出口单向阀阵列19开启，流体在泵腔17内通过出口单向阀阵列19从出口流道21流出，即排出流体的过程。参见图7和图8，当交流电源的激励频率接近所述压电驱动机构1的一阶谐振频率时，柔性支撑板3的柔性梁32将产生大幅度的弯曲变形，使压电堆栈10和预紧装置8产生大幅度的上下振动，从而提高隔膜泵5的输出性能。所述带偏置电压的交流电源的驱动波形为交流正弦波，当所述压电驱动机构1在一阶谐振模态工作时，驱动频率为其一阶谐振频率，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的一阶谐振频率受被驱动负载包括所述泵腔隔膜16、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。

上述内容仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，包括:

隔膜泵(5)，所述隔膜泵(5)通过泵腔隔膜(16)运动形成内部容积变化以泵送流体；

固定架(4)，所述固定架(4)固定在所述隔膜泵(5)一侧；

压电驱动机构(1)，所述压电驱动机构(1)固定在所述固定架(4)上，所述压电驱动机构(1)包括压电堆栈(10)，所述压电堆栈(10)一端与所述泵腔隔膜(16)固定连接，所述压电堆栈(10)另一端与所述固定架(4)弹性连接。

2.如权利要求1所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述压电驱动机构(1)还包括柔性支撑板(3)，所述柔性支撑板(3)包括由变形区连接的固定外框(31)与振动平台(33)，所述变形区具有弹性；所述固定外框(31)与所述固定架(4)固定连接，所述振动平台(33)与所述压电堆栈(10)固定连接。

3.如权利要求2所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述固定架(4)安装在所述隔膜泵(5)的泵腔隔膜(16)一侧，所述固定架(4)中空，中空部份容置所述压电堆栈(10)。

4.如权利要求3所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述压电驱动机构(1)还包括预紧装置(8)，所述预紧装置(8)包括分别设置在压电堆栈(10)两端的固定端，两个所述固定端之间通过连接段弹性连接。

5.如权利要求4所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述连接段在所述固定端之间呈折叠状连接所述固定端。

6.如权利要求3所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述压电驱动机构(1)包括柔性支撑板(3)、预紧装置(8)和压电堆栈(10)；所述柔性支撑板(3)通过底板(2)和第二螺栓(7)固定设于固定架(4)的底部；所述预紧装置(8)通过第三螺栓(11)、垫片(12)与柔性支撑板(3)固定连接；所述压电堆栈(10)通过氧化铝薄片(9)固定设于预紧装置(8)内部；所述隔膜泵(5)通过第一螺栓(6)固定设于固定架(4)顶部，并通过第四螺栓(14)与预紧装置(8)连接。

7.如权利要求6所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述柔性支撑板(3)包括固定外框(31)、振动平台(33)以及连接固定外框(31)和振动平台(33)的四根折叠式柔性梁(32)。

8.如权利要求6所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述柔性支撑板(3)、固定架(4)和预紧装置(8)的材料均为金属，其中预紧装置(8)的表面可涂覆绝缘漆。

9.如权利要求6所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述压电堆栈(10)由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(10)的侧面通过电极引线(23)连接着带偏置电压的交流电源。

10.如权利要求6所述的基于柔性支撑的谐振式压电堆栈泵，其特征在于，所述压电堆栈(10)的高度为5至50mm、宽度为3至20mm、长度为3至20mm。