CN117090753A - 一种贴片式蠕动压电泵及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式蠕动压电泵及其激励方法，贴片式蠕动压电泵包括泵盖、压电振子、垫片和底座。压电振子包括1个弹性薄板和3个压电陶瓷片。通过对压电陶瓷片施加激励信号来激发压电振子的两种振动模态，并将两种振动模态耦合，进而使压电振子产生驱动流体所需的作动效果。将激励信号的电能转化为压电振子的机械能，而后将压电振子的机械能转化为流体的动能，实现对流体的驱动。本发明的贴片式蠕动压电泵兼具有阀泵可维持进出口间较大压差、抑制回流、断电自锁等优点以及无阀泵结构简单、可靠性高、易于实现小型化等优点。

Description

一种贴片式蠕动压电泵及其激励方法

技术领域

本发明涉及流体输送装置和压电驱动技术领域，尤其涉及一种贴片式蠕动压电泵及其激励方法。

背景技术

在机器人技术、微机电系统、智能结构系统、医疗器械等精密驱动领域中，需要实现对流体的高精度输送的同时，又对流体作动器的小型化和可靠性提出了要求。而传统的泵装置结构复杂，体积庞大，且扬程大精度低，无法满足流体的微量高精度输送要求。压电泵是一种利用压电陶瓷的逆压电效应来激励出振子的共振模态，将电能转化为振子的机械能，通过流体驱动部件将振子的机械能转化为流体的动能的装置，拥有集成度高、能量密度大、磁场兼容性高、响应快、精度高等优点，在机器人技术、航空航天设备、微机电系统、智能结构系统、生物医疗等领域应用前景可观。

现有的压电泵主要分为有阀压电泵和无阀压电泵。其中有阀压电泵中设置了阀体来控制流体的流向以实现对流体的定向输送，其阀体的存在也导致了有阀压电泵结构复杂化、生产装配要求高、可靠性降低等缺陷。无阀压电泵有容积式和动力式两种，容积式无阀压电泵通过设置特定结构和形状的流管使得流体沿不同方向流动时的阻力不一致，从而实现整体上流体的单向输送，动力式压电泵直接在流管中设置流体驱动部件驱动流体流动，无阀压电泵存在回流、进出口压差低、断电时无法自锁等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式蠕动压电泵及其激励方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式蠕动压电泵，包含泵盖、压电振子、垫片和底座；

所述压电振子包含驱动板以及第一至第三压电陶瓷片，其中，所述驱动板采用弹性薄板；所述第一至第三压电陶瓷片依次设置在驱动板的上端面，均沿厚度方向极化，第二压电陶瓷片位于第一、第三压电陶瓷片之间，第一、第二压电陶瓷片的极化方向由其靠近驱动板的端面指向远离驱动板的端面，第三压电陶瓷片的极化方向由其远离驱动板的端面指向靠近驱动板的端面；

所述底座水平设置，其上端面上设有用于放置驱动板的第一凹槽；

所述第一凹槽的底面上设有贯穿底座的第一通孔、第二通孔，第一凹槽的底面上还设有将第一通孔、第二通孔围绕在内的环形的第二凹槽；

所述垫片形状和第二凹槽匹配，设置在第二凹槽内；所述驱动板设置在第一凹槽中，第二压电陶瓷片位于第一通孔、第二通孔之间；

所述泵盖为环状板件，压在驱动板的外缘且和底座固连，使得驱动板固定在垫片和泵盖之间、第一至第三压电陶瓷片位于泵盖内，且驱动板和第一凹槽的底面贴合密闭；

所述第一通孔、第二通孔的远离驱动板的一端分别作为贴片式蠕动压电泵第一进出口、第二进出口，所述第一至第三压电陶瓷片用于激励驱动板形变进而使得被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口或由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口。

作为本发明一种贴片式蠕动压电泵进一步的优化方案，所述第一通孔、第二通孔和驱动板之间均设有环形密封片，以确保第一通孔、第二通孔和驱动板贴合时密闭。

作为本发明一种贴片式蠕动压电泵进一步的优化方案，所述第一至第三压电陶瓷片均采用矩形压电陶瓷片，其中，第一、第三陶瓷片的长边相互平行，第二压电陶瓷片的长边垂直于第一压电陶瓷片的长边，第一至第三压电陶瓷片的中心位于同一直线，第一压电陶瓷片位于第一通孔正上方，第三压电陶瓷片位于第二通孔正上方。

本发明还公开了一种该贴片式蠕动压电泵的激励方法，包含以下步骤：

令第一压电陶瓷片、第一通孔位于第二压电陶瓷片同一侧，第三压电陶瓷片、第二通孔位于第二压电陶瓷片的另一侧，第一通孔靠近驱动板一端的中心指向第二通孔靠近驱动板一端的中心为Y轴正方向；

将弹性薄板上表面接地，第二压电陶瓷片上表面输入第一信号作为一阶弯曲振动模态激励信号，第一、第三压电陶瓷片上表面输入第二信号作为二阶弯曲振动模态激励信号，第一信号、第二信号为同频且幅值相同的交流谐波信号，使得第二压电陶瓷片在驱动板上激发出垂直于Y轴方向的一阶弯曲振动模态；第一、第三压电陶瓷片在驱动板上激发出沿Y轴方向的二阶弯曲振动模态；

如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口，调整第一信号的相位超前第二信号90°；

如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口，调整第二信号的相位超前第一信号90°即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用弹性薄板的蠕动运动形成容积变化的泵腔，弹性薄板兼容了阀体的功能，使得本发明具有无阀压电泵结构简单、可靠性高等优点的同时，也具有有阀压电泵无回流、可维持进出口间较大压差、断电自动关闭的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中压电振子的结构示意图；

图3是本发明中底座的结构示意图；

图4是本发明的剖视结构示意图；

图5是本发明中激励信号施加方式示意图；

图6是本发明的激励信号示意图；

图7是本发明中驱动板的一阶弯曲振动模态示意图；

图8是本发明中驱动板的二阶弯曲振动模态示意图；

图9是本发明中压电振子的模态耦合示意图；

图10是本发明的贴片式蠕动压电泵工作状态示意图。

图中：1-泵盖，2-压电振子，3-垫片，4-底座，2.1-驱动板，2.2-第一压电陶瓷片，2.3-第二压电陶瓷片，2.4-第三压电陶瓷片，4.1-第一凹槽的底面，4.2-第一通孔，4.3-第二通孔，4.4-环形密封片，4.5-第二凹槽。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种贴片式蠕动压电泵，包含泵盖、压电振子、垫片和底座；

如图2所示，所述压电振子包含驱动板以及第一至第三压电陶瓷片，其中，所述驱动板采用弹性薄板；所述第一至第三压电陶瓷片依次设置在驱动板的上端面，均沿厚度方向极化，第二压电陶瓷片位于第一、第三压电陶瓷片之间，第一、第二压电陶瓷片的极化方向由其靠近驱动板的端面指向远离驱动板的端面，第三压电陶瓷片的极化方向由其远离驱动板的端面指向靠近驱动板的端面；

如图3所示，所述底座水平设置，其上端面上设有用于放置驱动板的第一凹槽；

所述第一凹槽的底面上设有贯穿底座的第一通孔、第二通孔，第一凹槽的底面上还设有将第一通孔、第二通孔围绕在内的环形的第二凹槽；

如图4所示，所述垫片形状和第二凹槽匹配，设置在第二凹槽内；所述驱动板设置在第一凹槽中，第二压电陶瓷片位于第一通孔、第二通孔之间；

所述泵盖为环状板件，压在驱动板的外缘且和底座固连，使得驱动板固定在垫片和泵盖之间、第一至第三压电陶瓷片位于泵盖内，且驱动板和第一凹槽的底面贴合密闭；

所述第一通孔、第二通孔的远离驱动板的一端分别作为贴片式蠕动压电泵第一进出口、第二进出口，所述第一至第三压电陶瓷片用于激励驱动板形变进而使得被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口或由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口。

所述第一通孔、第二通孔和驱动板之间均设有环形密封片，以确保第一通孔、第二通孔和驱动板贴合时密闭。

所述第一至第三压电陶瓷片均采用矩形压电陶瓷片，其中，第一、第三陶瓷片的长边相互平行，第二压电陶瓷片的长边垂直于第一压电陶瓷片的长边，第一至第三压电陶瓷片的中心位于同一直线，第一压电陶瓷片位于第一通孔正上方，第三压电陶瓷片位于第二通孔正上方。

本发明还公开了一种该贴片式蠕动压电泵的激励方法，包含以下步骤：

令第一压电陶瓷片、第一通孔位于第二压电陶瓷片同一侧，第三压电陶瓷片、第二通孔位于第二压电陶瓷片的另一侧，第一通孔靠近驱动板一端的中心指向第一通孔靠近驱动板一端的中心为Y轴正方向；

如图5所示，将弹性薄板上表面接地，第二压电陶瓷片上表面输入第一信号作为一阶弯曲振动模态激励信号，第一、第三压电陶瓷片上表面输入第二信号作为二阶弯曲振动模态激励信号；如图6所示，第一信号、第二信号为同频且幅值相同的交流谐波信号，图中V为电压的幅值，T为周期，使得第二压电陶瓷片在驱动板上激发出垂直于Y轴方向的一阶弯曲振动模态，如图7所示；第一、第三压电陶瓷片在驱动板上激发出沿Y轴方向的二阶弯曲振动模态，如图8所示；

如图9、图10所示，如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口，调整第一信号的相位超前第二信号90°，此时具体工作流程如下：

S1阶段，驱动板下表面与2个环形密封片沿贴合；

S2阶段，驱动板下表面与第一通孔上的环形密封片分离并在第一通孔上方形成空腔，流体从第一通孔流入该空腔；

S3阶段，驱动板下表面与第二通孔上的环形密封片分离，S2阶段形成的空腔扩展至第二通孔上方，流体流动至第二通孔上方；

S4阶段，驱动板下表面与第一通孔上的环形密封片贴合，S3阶段形成的空腔缩小至仅存在于第二通孔上方，流体被挤压接入第二通孔；

S5阶段，驱动板下表面与第二通孔上的环形密封片贴合，S4阶段形成的空腔消失，流体从第二通孔排出，即实现沿Y轴正方向驱动流体；

如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口，调整第二信号的相位超前第一信号90°即可。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种贴片式蠕动压电泵，其特征在于，包含泵盖、压电振子、垫片和底座；

所述压电振子包含驱动板以及第一至第三压电陶瓷片，其中，所述驱动板采用弹性薄板；所述第一至第三压电陶瓷片依次设置在驱动板的上端面，均沿厚度方向极化，第二压电陶瓷片位于第一、第三压电陶瓷片之间，第一、第二压电陶瓷片的极化方向由其靠近驱动板的端面指向远离驱动板的端面，第三压电陶瓷片的极化方向由其远离驱动板的端面指向靠近驱动板的端面；

所述底座水平设置，其上端面上设有用于放置驱动板的第一凹槽；

所述第一凹槽的底面上设有贯穿底座的第一通孔、第二通孔，第一凹槽的底面上还设有将第一通孔、第二通孔围绕在内的环形的第二凹槽；

所述垫片形状和第二凹槽匹配，设置在第二凹槽内；所述驱动板设置在第一凹槽中，第二压电陶瓷片位于第一通孔、第二通孔之间；

所述泵盖为环状板件，压在驱动板的外缘且和底座固连，使得驱动板固定在垫片和泵盖之间、第一至第三压电陶瓷片位于泵盖内，且驱动板和第一凹槽的底面贴合密闭；

所述第一通孔、第二通孔的远离驱动板的一端分别作为贴片式蠕动压电泵第一进出口、第二进出口，所述第一至第三压电陶瓷片用于激励驱动板形变进而使得被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口或由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口。

2.根据权利要求1所述的贴片式蠕动压电泵，其特征在于，所述第一通孔、第二通孔和驱动板之间均设有环形密封片，以确保第一通孔、第二通孔和驱动板贴合时密闭。

3.根据权利要求1所述的贴片式蠕动压电泵，其特征在于，所述第一至第三压电陶瓷片均采用矩形压电陶瓷片，其中，第一、第三陶瓷片的长边相互平行，第二压电陶瓷片的长边垂直于第一压电陶瓷片的长边，第一至第三压电陶瓷片的中心位于同一直线，第一压电陶瓷片位于第一通孔正上方，第三压电陶瓷片位于第二通孔正上方。

4.基于权利要求1所述的贴片式蠕动压电泵的激励方法，其特征在于，包含以下步骤：

令第一压电陶瓷片、第一通孔位于第二压电陶瓷片同一侧，第三压电陶瓷片、第二通孔位于第二压电陶瓷片的另一侧，第一通孔靠近驱动板一端的中心指向第二通孔靠近驱动板一端的中心为Y轴正方向；

将弹性薄板上表面接地，第二压电陶瓷片上表面输入第一信号作为一阶弯曲振动模态激励信号，第一、第三压电陶瓷片上表面输入第二信号作为二阶弯曲振动模态激励信号，第一信号、第二信号为同频且幅值相同的交流谐波信号，使得第二压电陶瓷片在驱动板上激发出垂直于Y轴方向的一阶弯曲振动模态；第一、第三压电陶瓷片在驱动板上激发出沿Y轴方向的二阶弯曲振动模态；

如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第一进出口流向第二进出口，调整第一信号的相位超前第二信号90°；

如果需要被泵流体由贴片式蠕动压电泵的第二进出口流向第一进出口，调整第二信号的相位超前第一信号90°即可。